Abstract Abundantly available low-grade coal is used to prepare activated carbon (AC) for supercapacitor (SCs) electrode materials. Aiming to transform low-grade coal into pore structure, microcrystalline, and surface chemistry multi-scale coordinated AC, a new ultrasound-assisted bimetallic activation strategy is proposed. The introduction of ultrasonic waves in the FeCl3/MgCl2 co-impregnation process synergistically controls the pore and microcrystalline structure of the precursor. Meanwhile, the surface modification is performed in a CO2 atmosphere. Comparative experiments and density functional theory (DFT) calculations show that the AC-20 possesses abundant micropores (0.92 cm3 g−1), appropriate mesopores (0.40 cm3 g−1), high specific surface area (SSA, 2329 cm2 g−1), low impurity content, and is highly O-doped (13.65 at.%), which are essential for enhancing carbon-based electrochemical processes. Meanwhile, the graphitization degree improves (ID/IG is down to 0.89), stability enhances (TGA curves shift right), and electrical resistivity decreases (Re is 0.15 Ω cm−1). Therefore, AC-20 has a specific capacitance (C) of 309 F g−1 at 0.5 A g−1. Furthermore, AC-20//AC-20 can reach an energy density (E) of 9.6 Wh kg−1 when the power density (P) is 250 W kg−1. Combined with low price, abundant reserves, a simple preparation method, and good practicability, the obtained AC-20 has great potential to expand production.

中文翻译：

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超声辅助双金属活化合成氧掺杂煤基碳电极材料在超级电容器中的应用

摘要 大量可用的低品位煤被用于制备用于超级电容器（SCs）电极材料的活性炭（AC）。为了将低品位煤转化为孔隙结构、微晶和表面化学的多尺度协调活性炭，提出了一种新的超声辅助双金属活化策略。在 FeCl3/MgCl2 共浸渍过程中引入超声波可协同控制前驱体的孔隙和微晶结构。同时，表面改性是在 CO2 气氛中进行的。对比实验和密度泛函理论 (DFT) 计算表明 AC-20 具有丰富的微孔 (0.92 cm3 g-1)、适当的介孔 (0.40 cm3 g-1)、高比表面积 (SSA, 2329 cm2 g-1) , 杂质含量低，并且是高度 O 掺杂的 (13.65 at.%)，这对于增强碳基电化学过程至关重要。同时，石墨化程度提高（ID/IG 降至 0.89），稳定性增强（TGA 曲线右移），电阻率降低（Re 为 0.15 Ω cm-1）。因此，AC-20 在 0.5 A g-1 时具有 309 F g-1 的比电容 (C)。此外，当功率密度 (P) 为 250 W kg-1 时，AC-20//AC-20 可以达到 9.6 Wh kg-1 的能量密度 (E)。所得AC-20价格低廉、储量丰富、制备方法简单、实用性强，具有很大的扩产潜力。AC-20 在 0.5 A g-1 时具有 309 F g-1 的比电容 (C)。此外，当功率密度 (P) 为 250 W kg-1 时，AC-20//AC-20 可以达到 9.6 Wh kg-1 的能量密度 (E)。所得AC-20价格低廉、储量丰富、制备方法简单、实用性强，具有很大的扩产潜力。AC-20 在 0.5 A g-1 时具有 309 F g-1 的比电容 (C)。此外，当功率密度 (P) 为 250 W kg-1 时，AC-20//AC-20 可以达到 9.6 Wh kg-1 的能量密度 (E)。所得AC-20价格低廉、储量丰富、制备方法简单、实用性强，具有很大的扩产潜力。