纳米碳材料具有一系列优异的理化性质，在电化学能量存储与转换领域具有重要应用前景。常规合成方法因为耗时耗能等问题，极大地阻碍了相关材料的规模化制备及应用。当前，新兴的超快合成技术受到广泛关注，可以在数秒及毫秒范围内合成材料，显著提高了研究效率。

近年来，分子科学研究所韩高义教授团队青年教师朱胜在纳米碳材料的超快合成方面开展了深入研究，基于焦耳热闪蒸技术制备了多种低维碳纳米结构，包括石墨烯、碳纳米管等（ACS Materials Letters, 2022, 4, 1863；Small, 2023, 20, 2305406）。

近日，团队在前期研究基础之上，采用该技术在毫秒范围内制备了零维石墨化介孔碳笼，其尺寸均匀、晶化程度高（图1）。研究发现，该材料作为钾离子电池具有优异的储能性质，和平面层状石墨负极相比，笼状结构的碳具有增强的张力应变能力，并且形成有利于离子快速输运的三维孔道结构，因而表现出优异的循环稳定性和倍率性能。该研究发表在国际著名材料期刊Advanced Functional Materials（IF="19.0）上（Advanced Functional Materials, 2024,2401548），该工作第一作者为2021级材料化学专业博士研究生王丽娜。

图1.基于焦耳热闪蒸技术制备零维石墨化介孔碳笼

团队还基于焦耳热技术合成了原子级分散的M-N-C（M="Fe," Co, Ni, Cu等）催化剂（图2），展示出优异的氧还原反应（ORR）催化性能。研究发现，P原子掺杂不仅可以通过抑制氮物种的流失，提高M-N4活性位点的数量；还可以调控M-N4位点的局域配位环境，通过几何结构和电子结构的协同调控提高ORR催化活性。相关研究发表在能源材料领域著名期刊《Energy Storage Materials》（IF="20.4）上（Energy Storage Materials, 2024, 69, 103421），该工作第一作者为2023级材料化学专业博士研究生秦国斌。

图2. P-MeN4@CNTs催化剂的超快制备

此外，团队将焦耳热技术与熔盐法结合，开发了一步超快熔盐合成法（图3），制备了煤基多孔碳纳米材料。研究中以晋城无烟煤为原料，所得多孔碳与常规熔盐法相比，具有更为均匀丰富的孔径结构和更大的比表面积，展示了增强的电化学储能性质，包括比容量、能量密度及倍率性能。相关研究发表在材料领域著名期刊《ACS Materials Letters》（IF="11.4）上（ACS Materials Letters, 2024, 6, 2144），该工作第一作者为2021级材料工程专业硕士研究生黄劲陶。

图3. 超快熔盐合成法用于煤基多孔碳的制备

上述研究为碳纳米材料的超快制备及高性能能量存储与转换器件研究方面提供了思路。相关工作获得了北京大学、苏州大学、晋能控股装备制造集团有限公司的合作和支持，以及国家自然科学基金及山西省自然科学基金的资助。