探索煤炭资源的清洁高附加值利用，是在“双碳”目标下，实现煤化工行业目标低碳化、过程清洁化、产品高端化的必由之路。超级电容器因为具有快的充放电速率,高的功率密度以及优异的循环稳定性被认为是下一代能源储能设备的理想选择,其中电极材料是决定超级电容器性能的关键因素。煤基多孔碳材料具有发达的孔隙结构，可以提供足够的接触面积，从而可以提高双电层电容器比电容和能量密度。碳资源转化实验室科研团队围绕煤基电极材料的设计与优化，取得了一系列研究进展，相关成果发表在中科院一区刊物Chemical Engineering Journal和Energy上，同时在Fuel期刊上发表高被引论文一篇。

以脱灰无烟煤为碳前驱体，KOH为活化剂，采用一步活化法制备活性炭。添加硝酸溶液在活性炭表面引入适量的含氧基团，然后通过一步水热法在氧化活性炭上原位生长镍钴双氢氧化物，得到炭基复合材料。生长在氧化活性炭上的镍钴双氢氧化物呈现出良好的相互连接和高度有序的结构，且暴露出的更多活性位点有效的提高了活性物质的利用率。高密度的镍钴双氢氧化物与碳载体表面上的含氧官能团结合，形成了高导电性的三维结构；且两组分间的强相互作用使复合材料具有更优异的电荷传输速率和结构稳定性。采用复合材料组装的不对称超级电容器展示出卓越的电化学性能，同时进行了太阳能电池板集成超级电容器的实际有效性演示。（Chemical Engineering Journal, 2023, 454: 140280）

使用脱灰无烟煤为碳源、尿素为氮源，通过界面修饰方法制备氮掺杂改性活性炭（NAC）；然后通过水热法在改性活性炭表面引入MnO₂，形成三维结构的复合材料（MnO₂@NAC）。基于实验数据和密度泛函理论计算，活性炭中掺入的N原子不仅提供了MnO₂纳米棒生长的成核位点，引入更多活性位点，而且增强了与MnO₂的相互作用，从而提高了电荷传输速率。电极材料表现出优异的电化学性能（电流密度0.5 A/g时比电容为408.5 F/g）和长期稳定性（10000次循环后的电容保持率为88.2%）。以上述两种改性活性炭为电极材料，组装了1.6 V的柔性固态不对称超级电容器，在功率密度为800 W/kg时能量密度高达25.56 Wh/kg，展现出一定的应用潜力。（Energy, 2022, 249: 123659）

以稻壳和褐煤的共热溶物作为碳源、纳米ZnO和KON分别为模板剂和活化剂，制备多孔炭材料。碳源的分子组成是决定炭基材料性能的关键因素之一；采用气质联用仪和高分辨率质谱对共热溶物碳源进行分子层面的研究。结果显示碳源中的含氮化合物（特别是芳环内含氮化合物）改善了多孔炭材料的导电性，含氧化合物有助于提高炭材料的赝电容和润湿性，具有不饱和结构的芳香族化合物有利于形成石墨化结构，促进电子的转移与传输。（Fuel, 2022, 311: 122552）

上述论文的链接如下：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722057606

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S036054422200562X

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236121024212

该系列工作得到山东省自然科学基金（ZR2021MB115）和煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室开放基金（Grant 2021-CMCU-KF008）的资助。同时感谢化学与生物工程学院和绿色低碳能源化工工程研究中心对团队工作的支持。