图1展示了用于快速热解反应的碳热冲击反应器（CTS）的结构示意图。该反应器由两片紧密排列的焦耳加热碳纸组成，反应物被夹在两片碳纸之间。通过向碳纸施加高密度电流，可在短时间内（约1秒）将反应器加热至约1800℃，并伴随有明显的强光闪烁。这种超快速加热方式能够在极短时间内完成铁浸渍滤纸的热解，形成铁-碳复合材料。与传统管式炉相比，CTS反应器的快速加热特性能够有效避免材料在低温阶段的熔融和聚集，从而更好地保留材料的多孔结构和分散性。
图2通过扫描电子显微镜（SEM）展示了不同制备方法得到的铁-碳复合材料的微观形貌。其中，CTS-Fe-C-1800样品表现出高度分散的纤维结构和丰富的孔隙（微孔和小介孔），这是由于在热解过程中释放的挥发性气体（如CO₂和CO）作为造孔剂，形成了多孔碳基体。相比之下，传统管式炉（TF）制备的TF-Fe-C样品纤维结构较为融合，表面较为致密光滑，孔隙较少。这表明CTS反应器的快速加热过程能够有效保留多孔结构，而传统方法由于加热速率较慢，导致材料在热解前就已经发生熔融和孔隙闭合。
图3进一步展示了不同温度下（1000℃、1400℃和1800℃）通过CTS反应器制备的铁-碳复合材料的形貌和纳米颗粒尺寸分布。随着反应温度的升高，材料的孔隙结构更加丰富，比表面积增加，纳米颗粒尺寸逐渐减小。特别是CTS-Fe-C-1800样品，其纳米颗粒尺寸最小（约15 nm），且分布均匀。这表明高温快速热解过程中产生的大量挥发性气体不仅作为造孔剂，还通过限域效应限制了纳米颗粒的生长。通过分子动力学模拟（MD）也验证了高温下挥发性气体的生成量随温度升高而增加，从而进一步解释了材料微观结构的差异。
图4通过X射线衍射（XRD）分析了铁-碳复合材料的晶体结构。结果显示，CTS-Fe-C样品中出现了归属于Fe₃C的特征衍射峰，表明在高温快速热解条件下，铁离子与碳前驱体反应生成了铁碳化物。此外，CTS-Fe-C-1800样品表现出更高的石墨化程度，其碳层具有更高的结晶性，这有助于提高材料的电导率和电化学性能。通过热重分析（TG）进一步确认了样品中不存在金属铁，进一步证实了XRD的结果。这些结构特征表明，CTS反应器的快速加热和高温条件能够有效促进铁碳化物的形成和碳的石墨化。
图5展示了基于不同铁-碳复合材料的超级电容器（SCs）的电化学性能。通过循环伏安（CV）和恒流充放电（GCD）测试，CTS-Fe-C-1800样品展现出最高的比容量（425.5 F g⁻¹）和能量密度（148.93 Wh kg⁻¹）。其优异的性能归因于其高比表面积、丰富的孔隙结构和小尺寸的Fe₃C纳米颗粒，这些结构特征有助于提高材料的离子传输效率和电化学活性。此外，电化学阻抗谱（EIS）测试表明，CTS-Fe-C-1800样品具有最低的串联电阻（Rs），进一步证实了其优异的电荷传输性能。这些结果表明，CTS-Fe-C-1800是一种极具潜力的超级电容器电极材料。
图6展示了基于CTS-Fe-C-1800的柔性微型超级电容器（MSCs）的电化学性能和机械稳定性。通过丝网印刷技术将CTS-Fe-C-1800材料制备成MSC，并使用PVA/KOH凝胶电解质。测试结果表明，该MSC在不同弯曲角度下均展现出良好的电化学性能和机械稳定性，其比容量在0.5 A g⁻¹时达到204.2 F g⁻¹，能量密度达到71.49 Wh kg⁻¹。此外，经过180小时的循环测试，MSC的容量保持率为187.3 F g⁻¹，显示出良好的循环稳定性。这些结果表明，CTS-Fe-C-1800材料在柔性可穿戴设备和便携式电子设备中具有广阔的应用前景。
图7展示了铁-碳复合材料作为锂离子电池（LIBs）阳极时的电化学性能。通过循环伏安（CV）和恒流充放电测试，CTS-Fe-C-1800样品展现出最高的初始放电比容量（1639.2 mAh g⁻¹），并在600个循环后保持了1241.6 mAh g⁻¹的比容量，显示出良好的循环稳定性。此外，CTS-Fe-C-1800样品在不同扫描速率下均展现出良好的可逆性，其电化学过程主要由电容控制，具有较高的伪电容贡献比例。这些结果表明，CTS-Fe-C-1800材料不仅具有优异的比容量和循环稳定性，还具有快速充放电能力，是一种极具潜力的锂离子电池阳极材料。
