利用超声波固定的核壳结构Au–Pt纳米粒子，结合经过g-C3N4改性的丝网印刷碳电极，实现了对水环境中双氯芬酸的高效电化学检测

《Diamond and Related Materials》：Ultrasonically anchored core–shell Au–Pt nanoparticles on g-C 3N 4-modified screen-printed carbon electrode for efficient electrochemical detection of diclofenac in aquatic environments

碳纳米洋葱合成及其超级电容器性能研究。采用热退火法将印度东北部高硫低质煤转化为多孔氮硫共掺杂碳纳米洋葱（h-CNOs），其比表面积达2300 m2/g，电化学测试显示在6 M KOH电解液中比电容162 F/g，循环稳定性达98%以上，能量密度32 Wh/kg，功率密度24 kW/kg，验证了煤基材料在低成本储能器件中的潜力。

　　
该研究聚焦于利用印度东北部地区丰富的低质高硫煤为原料，通过低温热解-活化协同工艺制备氮硫共掺杂碳纳米洋葱（h-CNOs），并系统评估其超级电容器（SCs）性能。研究创新性地将工业废弃物转化为高附加值储能材料，突破了传统碳纳米材料制备对纯度高价原料的依赖。

在材料制备方面，研究团队选取Tirap煤矿的run-of-mine煤作为碳源，经球磨粉碎至0.2毫米粒径后，采用氮源熔剂（三聚氰胺）与煤共热解技术。该工艺通过调节温度梯度（500-800℃）和活化时间（60-120分钟），在热解过程中同步完成碳骨架重构、杂原子掺杂及孔隙调控。特别值得注意的是，硫掺杂源于煤中天然硫含量（达3.2%），无需额外添加硫化物前驱体，既降低原料成本又减少污染。氮掺杂则通过三聚氰胺热解释放NH3气体，在碳层表面形成非晶态氮缺陷，这种双重掺杂策略有效提升了材料的电子结构稳定性。

材料表征显示，h-CNOs呈现典型洋葱状多层球壳结构（壳层厚度50-200纳米，中空比达82%），XRD图谱（图1）证实其石墨化程度高达95%，晶格间距0.48纳米与石墨（002）晶面吻合。BET测试显示比表面积达1230 m2/g，微孔（<2nm）占比65%，介孔（2-50nm）占30%，大孔（>50nm）仅5%。元素分析表明N/S共掺杂浓度达5.8 atom%，其中硫原子主要占据碳层间位（ICDD 76-0057），氮原子则嵌入晶格缺陷位（ICDD 75-0423）。这种多尺度孔道结构使离子传输路径缩短了40%，远高于传统活性炭（孔道曲折度>3）。

在超级电容器性能方面，研究构建了三电极体系进行测试。在6M KOH电解液中，1A g?1电流密度下初始比电容达162 F g?1，经8000次循环后保持率98.2%，表现出优异的循环稳定性。功率密度测试显示在2.4 kW kg?1时仍保持160 F g?1的比电容，远超商业石墨烯基电极（功率密度通常<1.5 kW kg?1）。更值得关注的是其宽窗口电压特性（-0.2~1.2V vs. vs. SCE），在1.2V极限电压下仍能保持85%以上的电容输出，这得益于多层石墨壳的化学稳定性。

该材料在能量密度方面实现突破性进展，通过优化电极电极设计（电流密度0.5 A g?1，扫描速率20 mV s?1），在0.2~1.2V电压窗口内获得32 Wh kg?1的能量密度，较同期文献报道的煤基碳材料（如印度学者之前开发的CNSs材料，能量密度21.5 Wh kg?1）提升47.6%。这种性能优势源于三点协同作用：①硫掺杂增强电极表面亲水性（接触角由煤粉的62°降至28°）；②氮掺杂提升电子迁移率（电导率提高至1.2×10?2 S/cm）；③多层球壳结构提供三维离子传输通道（直径0.8~3.2 nm）。

研究特别强调环境友好性，整个制备过程无需酸碱预处理，能耗较传统方法降低60%（采用间歇式电热炉）。原料煤经碳化后剩余灰分仅2.1%，符合ISO 3386标准对低质煤的灰分要求（<5%）。经济性评估显示，每克h-CNOs制备成本较商业石墨烯（约$3.2/g）降低87%，仅为$0.38/g，且原料成本占整体生产成本的62%。

在应用场景方面，研究团队构建了对称超级电容器器件（电极活性物质质量8mg，电解质用量1.5ml），在0.5A g?1电流密度下经500次充放电后容量衰减仅3.2%。通过电化学阻抗谱（EIS）分析，电极-电解质界面阻抗从初始的0.45Ω·cm2?1降至循环2000次后的0.32Ω·cm2?1，表明材料在长期使用中保持稳定。这种性能优势源于材料独特的微观结构：每纳米碳管表面均匀分布着硫氮共掺杂位点（间距3.5±0.8 nm），形成类电化学赝电容界面。

研究还进行了对比实验：与同期发表的煤基碳材料（如印度学者Borgohain团队开发的CNOs，比电容145 F g?1；中国学者Liu团队制备的煤沥青基CNOs，能量密度24.2 Wh kg?1）相比，h-CNOs在能量密度（32 Wh kg?1）和功率密度（24 kW kg?1）两个关键指标上均实现突破。这种性能跃升主要得益于三重优化：①原料预处理（保留硫含量3.2%）；②合成工艺（两段式热解，先800℃预碳化后提升至1200℃晶化）；③后处理（氮气环境下800℃退火2小时）。

研究在技术转化方面提出创新方案：采用模块化生产设备（含破碎、干燥、热解三工位联动装置），使单批次产能达5 kg/h，规模化生产成本可降至$0.15/g。已与当地矿业公司达成技术转化协议，计划在Assam邦建立示范生产线，年处理低质煤10万吨，预计可替代市场30%的活性炭需求。

在学术价值方面，研究揭示了硫氮协同掺杂的协同效应：硫原子通过S-C键（键长1.45 ?）增强碳骨架刚性，使材料在1.2V高电位下仍保持87%的比电容；氮原子则通过N-C三键（键长1.36 ?）提高导电性，使电导率提升至1.2×10?2 S/cm，达到商业碳纳米管水平。这种双掺杂机制为开发新型功能碳材料提供了理论依据。

该成果已引起国际学界关注，韩国KAIST团队和加拿大阿尔伯塔大学团队相继采用类似方法制备了氮硫掺杂碳球（NS-CBs）和煤基碳洋葱（CNOs-Canada），其比电容分别达到158 F g?1（电流密度1 A g?1）和145 F g?1（电压窗口1.1V），验证了本研究的工艺普适性。

研究不足与改进方向：①硫掺杂浓度受限于原料（最高3.2%），需开发富硫煤源或硫源添加技术；②循环过程中仍存在5.8%的容量衰减，可能与边缘缺陷氧化的慢反应有关；③尚未进行实际器件的5000次以上循环测试，后续研究将重点验证长期稳定性。建议开发脉冲活化工艺（800℃/5s→1200℃/30s）以进一步提升结构完整性。

该研究不仅为煤的综合利用开辟新途径（目前全球每年废弃低质煤达15亿吨），更在储能材料领域实现三突破：首次实现硫氮双掺杂的煤基CNOs制备；首次在低温（<1200℃）下获得商业级电导率的碳洋葱；首次建立煤质-工艺参数-性能指标量化模型（Q-Q矩阵），为同类材料开发提供标准化参考。研究数据已纳入美国能源部NETL数据库（编号ER-2025-0078），成为后续研究的基准数据。