《Journal of Power Sources》：Aged asphalt-derived hierarchical porous carbon via template-activation for high performance supercapacitors
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通过模板法（MgO）与KOH活化协同策略，利用人工老化废沥青制备了具有多级孔结构的碳材料，其比电容达359 F/g，循环稳定性超过10,000次，为废沥青资源化提供新路径。
雷路|冯志英|MD Sumon Prodhan|郭新莉|张晓瑞|张伟杰
南京工业大学交通工程学院，中国江苏省南京市211816
摘要
传统的废旧沥青回收技术存在能耗高、利用率低的问题。将富含碳的废旧沥青转化为优异的储能电极对可持续发展具有重要意义。在本研究中，通过结合模板（MgO）法和活化工艺（KOH），利用人工老化的石油沥青制备了用于超级电容器的高性能多孔碳（PCs1）。通过精确优化模板/活化剂比例、活化时间和活化温度，构建了以微孔为主、伴有介孔的层次孔结构。优化的PCs1具有1388 m2 g?1的高比表面积和1.9 cm3 g?1的总孔体积，在0.5 A g?1的电流密度下表现出359 F g?11的均匀超级电容器在499.2 W kg?1的功率密度下具有10.4 Wh kg?1?1
引言
随着全球交通基础设施的老化，每年产生的废旧沥青已超过10亿吨。传统的处理方法如填埋或热回收面临高碳排放和资源浪费的双重挑战[1]。将废旧沥青作为碳前体利用具有显著的环境优势，这与当前的全球碳中和倡议高度契合[2]。这种方法不仅解决了道路工程中的废物处理问题，还为储能行业建立了可持续的低碳发展路径。
在全球能源结构调整和气候变化缓解的双重挑战下，加之化石资源日益减少和生态问题日益严重，电化学储能技术的发展成为解决能源危机的关键突破[3],[4],[5]。值得注意的是，通过合理设计碳化方案，沥青可以转化为具有层次孔结构和优异导电性的高性能碳材料，使其在电化学储能应用中具有独特优势[6,7]。大量研究表明，沥青衍生的碳材料不仅在制备储能领域（如超级电容器）具有巨大潜力[8]，还可用作钠/锂/钾离子电池中的高性能负极[9],[10],[11]。与传统电池相比，超级电容器具有高功率密度、快速充放电速率和长循环寿命[12],[13],[14]。这些特性有效弥补了传统电池在功率输出和耐久性方面的不足。除了作为独立的高密度储能组件外，它们还可以与高能量密度电池技术结合，创建集成储能系统[15,16]。这种方法优化了整体配置中的能量-功率权衡，提高了系统效率和可靠性。
对于电极材料而言，比表面积（SSA）以及具有大量孔隙的结构是决定电容和电化学性能的关键因素[17]。控制和修改多孔碳材料的表面形态和结构对于提高比电容和电化学性能至关重要[18]。通常，合成高SSA和多孔碳材料需要采用活化和模板化方法。例如，Enayat等人[19]使用三聚氰胺海绵模板作为活化介质，促进了沥青质分子与KOH之间的化学反应；在标准水溶液中测试时，该碳材料表现出3868 m2 g?1?12 g?1?1?12 g?1?13作为模板和活化剂，合成了具有1.02 cm3 g?1累积孔体积和超过1229 m2 g?1比表面积的碳材料；这些材料在1 mol/L四乙基铵四氟硼酸酯/乙腈电解质中同时实现了高功率（625 W kg?1?1）密度。然而，过大的比表面积会导致充放电过程中电子传输延迟，而不合适的孔结构会阻碍离子的迁移和吸附效率[23]。因此，需要进一步开发具有可调表面形态和复杂孔结构的碳材料。
在本研究中，采用模板-活化协同策略从人工老化的沥青中制备了层次孔结构的多孔碳，因为其关键性质与实际回收的沥青路面非常相似。使用自合成的MgO纳米片作为模板，并结合KOH活化，制备了用于超级电容器的多孔碳材料。通过系统调整MgO模板的掺杂量和KOH活化剂的添加量，以及优化活化参数（如温度和时间），有效调控了材料的层间距和孔分布。这种协同的模板-活化策略形成了以微孔为主、伴有介孔的层次孔结构。所设计的多孔碳材料的储能特性得益于优异的比表面积、较大的层间距和多层次孔结构。本研究建立了明确的工艺-结构-性能关系，提出了一种将回收沥青转化为高性能多孔碳电极的可持续策略，为废旧路面材料在储能应用中的增值再利用提供了可行途径。
部分摘录
多孔片状MgO的制备
沥青原料直接从JSTI GROUP购买，无需纯化；MgO前体（>99.9%）和KOH（90%）分别从Brofos Nanotechnology和Macklin Co. Ltd.购买。其余试剂均来自Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd.，均为分析级。
片状多孔MgO模板是通过水热法合成的。通常，将5克商业纳米MgO（30～50 nm）按1:10的质量比与去离子水混合后进行制备。
结果与讨论
图1展示了从废旧沥青制备多孔碳材料及其再利用的过程。首先将老化沥青溶解在THF中，并与不同比例的MgO模板混合，然后在氩气下碳化以获得沥青衍生的碳（AC-s）。之后，将AC-s与KOH按不同比例混合，再进行热解。合成材料用HCL浸泡至pH中性，然后干燥得到PCs，可用于电极材料。
总结与结论
总之，利用MgO模板和KOH活化方法成功制备出了高性能的废旧沥青衍生碳。本研究建立了将废旧沥青转化为超级电容器电极的可持续途径，详细研究了MgO模板和KOH活化的影响。结果表明，含有75% MgO模板剂并在等质量比（1:1）下用KOH活化的材料，其Vt为1.9 cm3 g?1
CRediT作者贡献声明
雷路：撰写——初稿、方法论、数据整理。冯志英：撰写——审稿与编辑、监督、数据分析。MD Sumon Prodhan：监督、研究指导。郭新莉：监督、资源协调。张晓瑞：监督、资源协调、资金争取。张伟杰：监督、资源协调、资金争取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢与免责声明
作者感谢沱源项目青年学术人才（编号：391740010016）、重庆工业大学科学研究基金（编号：0101220631）、重庆市教委（编号：KJQN202301102）以及重庆市科学技术局（编号：2023TIAD-KPX0126）提供的支持。
