一、研究背景

煤炭是一种重要的化石能源，占全球一次能源消费的27%左右。经过百万年的地理演化，出现了不同类型的煤矿，其组成和结构有明显的差异。例如，无烟煤具有最高的碳含量（>90%）和低挥发性无干基（Vdaf <10%），而褐煤具有300-400°C的低燃点和约40%的挥发物烟煤介于两者之间，碳含量在75%-90%之间。由于其经济优势和高含碳量，将煤转化为碳纳米材料得到了相当大的关注，特别是在储能、催化、吸附和电子相关领域。虽然煤的结构复杂，但了解转化过程中的结构演变对于控制合成碳材料的结构和性能至关重要。

近年来，煤衍生碳材料被广泛报道，包括石墨、石墨烯、碳纳米管、和多孔碳。一般来说，它们的制备需要热退火和/或化学活化过程。化学活化包括用强酸或强碱破坏碳结构来产生纳米孔。热退火可以在高温下通过脱氢和脱氧修复结构缺陷，生产出高纯煤基碳材料。然而，目前广泛使用的加热技术，如传统炉，相当费时和/或耗能，电弧放电和激光蚀刻由于制备条件苛刻和设备昂贵而阻碍了大规模生产。因此，开发方便、经济的煤基碳材料生产方法是非常必要的。近年来，闪蒸焦耳加热设备技术被广泛报道用于制备沥青或无烟煤衍生的石墨烯材料，并对其在超级电容器、耐腐蚀和润滑油等方面的应用进行了探索。FJH作为一种新兴的合成方法，具有环境友好、效率高、时间短、能耗低等优点，在将各种煤转化为高价值碳材料方面具有广阔的应用前景。

本文报道了用FJH技术与熔盐预处理相结合，从不同类型的煤制备石墨炭的通用方法。FJH工艺简单有效，不使用化学试剂、催化剂和特殊气体。在闪蒸过程中，快速脱氧与芳香环的连续缩聚相结合，导致碳材料由非晶结构向石墨化结构转变。优化了FJH处理的参数，以调节所得碳材料的组成和结构演变，包括表面基团、孔隙率、缺陷和石墨化程度。此外，通过电子显微镜、光谱技术、电化学分析和分子动力学模拟研究了煤原料与制备的碳产品之间的关系。煤化程度高的煤易于形成高石墨化碳，具有高速率容量和低弛豫时间常数的电容储能特性。

二、摘要

促进化石能源的过渡和新应用对实现碳中和至关重要。煤转化为石墨碳是实现其高价值利用的有效途径，但这一过程往往涉及腐蚀性/毒性化学试剂和耗时的加热处理。在这里，这项工作报告了一种绿色，快速，高效的闪焦耳加热（FJH）技术，可以在15秒内从不同的煤中产生高质量的碳。在瞬时热冲击过程中控制所得碳材料的表面基团、缺陷和石墨化程度，建立煤的结构与产物性能之间的关系。结果表明：高煤化度的无烟煤在峰值温度≈3300 K时易于形成高石墨化碳，具有较高的电容储能速率（30 a g-1时容量保持79.1%）和较低的弛豫时间常数（τ0 = 0.27 s）。低煤阶褐煤和烟煤制备的闪蒸炭材料电容性能较好，在1 A g-1时电容均在80 F g-1以上。这项研究表明，FJH技术在将煤转化为有价值的碳材料方面具有巨大的潜力。

三、结论

综上所述，高效的闪蒸焦耳加热设备可以在1 s内从不同的煤炭资源中快速制备石墨碳。制备的碳材料具有明显的片状形貌，其表面官能团、缺陷浓度和石墨化程度可以在超快闪蒸过程中进行调节。揭示了从原料到产物的结构演变和产物碳的构效关系。在30 a g-1条件下，无烟煤倾向于形成远距离有序碳材料，具有较高的电荷储存速率，其容量保持率高达79.1%，而由褐煤和烟煤衍生的石墨碳材料，其煤化程度较低，具有较大的比电容。这项研究不仅揭示了不同煤炭来源产生的复杂差异，而且提出了提高煤炭衍生材料价值的创新途径。本研究获得的全面认识也有助于煤基碳材料的制备、结构可控性和应用。

图1.闪蒸焦耳加热法制备煤基石墨碳材料示意图。

图2. a-c)褐煤、烟煤和褐煤的分子结构模型。d-f)褐煤- msf、烟煤- msf和无烟煤- msf的扫描电镜（SEM）图像。g-i)褐煤- msf、烟煤- msf和无烟煤- msf的过渡电子显微镜（TEM）图像。j)褐煤、褐煤-质谱和褐煤- msf的x射线衍射（XRD）谱图。k)沥青、沥青- ms和沥青- msf的XRD谱图。l)无烟煤、无烟煤-质谱和无烟煤- msf的XRD谱图。