煤的结构基因与煤基碳材料构建研究进展

“双碳”目标的实现必将带来煤炭作为燃料用量的迅速减少,寻找煤炭的高附加值利用途径是煤炭行业可持续发展的迫切需求。简要介绍了基于单原子组装的无烟煤催化石墨化研究和焦炭催化石墨化研究,以及碳化硅炉炉芯石墨产品和特征,其晶体片径可达100um及以上,且受煤及煤基中间体结构的影响较少。重点介绍了无烟煤、烟煤、褐煤的结构特征与碳材料构建,研究发现煤的结构基因对煤基碳材料的构建有着决定性影响。无烟煤高固定碳含量的稳固碳结构有利于形成高强度的多孔炭和增碳补强剂等碳材料,无烟煤基高温石墨片径在几微米左右,片层平行度较差、交叉较多,适用于制备大规格炭电极的多晶石墨电极、电解槽、化学惰性通道。以烟煤为原料的煤沥青和焦炭中的炭青质是构成褶皱石墨的良好前驱体,煤沥青经针状焦石墨化因包含晶体液相生长过程,晶体片径尺寸可达数十微米以上,所形成的褶皱石墨经球团和浸渍包覆可以作为锂离子电池良好的负极储锂材料;焦炭中非晶态的固定碳也是制备硬碳材料的良好原料。褐煤稀疏的大分子架构和多孔颗粒形态有利于浸渍类碳材料的构建,是制备催化剂载体的优质原料。

煤基碳材料制备与电化学储能应用

煤基碳材料作为一种重要煤衍生碳材料,优点主要体现在比表面积高、导电性好、资源丰富且价格低,在储能领域应用前景广阔。煤基碳材料制备方法主要包括活化法、模板法以及杂原子掺杂法等。活化法是常用煤基碳材料制备方法,通过高温下用气体或化学试剂对煤活化处理,可获得具有高比表面积和丰富孔结构的煤基碳材料。模板法通过选择合适模板材料,制备有特殊孔结构的碳材料,且孔径均一、结构有序。杂原子掺杂法通过向煤基碳材料中引入杂原子,调控其电子结构和电化学性能,不仅可在碳材料表面形成官能团,提高材料反应效率,还可通过氧化还原反应产生赝电容,提高材料电化学性能。以煤为前驱体制备的煤基电极材料种类繁多,包括煤基无定形碳、煤基多孔碳、煤基石墨、煤基碳纳米纤维、煤基石墨烯及煤基石墨烯量子点等。与传统碳电极材料前驱体(天然石墨、石油焦、沥青焦等)相比,煤基碳材料芳香层片结构和烷基支链有特殊性质,芳香层片经高温石墨化形成横向延展的石墨晶层,而烷基支链则形成有活性基团的碳中间体或小分子团簇,进一步构筑出新碳材料,使煤基碳材料具备制造电极材料优势。在电化学储能领域,煤基电极材料已广泛的应用。研究者已将煤基碳材料应用于超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等储能器件,并取得良好性能表现。煤基碳材料作为潜力巨大的新型能源材料,具有广阔应用前景和重要研究意义。然而,目前煤基电极材料在储能领域研究仍存在着许多困难和挑战,如在对原煤处理过程中强氧化剂的使用、对高温高压环境和特殊保护气氛的需求,都会产生污染环境的废弃物及副产品。因此,未来不仅需优化煤基碳材料制备工艺、提高材料电化学性能、拓展煤基碳材料在能源储存领域应用,更需采用绿色、安全且经济的方法规模化制备高品质煤基碳材料,以期为煤炭清洁、高效、低碳利用提供支持,为开发先进煤衍生碳材料提供参考。

碳材料改性的BiOX光催化材料的研究进展

环境与能源问题严峻,人们迫切需要开发一些高效、环保、稳定的光催化剂。卤氧化铋(BiOX,X为Cl、Br、I)因其独特的层状结构、优异的光学、电学性能而受到光催化领域的广泛关注。但BiOX存在光吸收不足、电子−空穴(electron-hole,e^(−)−h^(+))快速复合、载流子浓度有限等问题而限制了它的应用。利用碳材料修饰BiOX可以极大地提升BiO X的光催化性能。简要介绍了BiOX的结构、性质、改性方案,碳材料基本类型和性质,主要综述了近几年零维,一维,二维,三维碳材料改性的BiOX光催化剂的研究进展,并分析了碳材料对BiOX光催化剂的提升机制,最后展望了碳材料改性的BiOX所面临的机遇和挑战。

离子液体改性碳材料及其应用的研究进展

阐述了离子液体改性碳材料的几种主要方法,包括物理改性、化学改性等。论述了不同改性方法的特点和优缺点,以及不同改性方法制备的离子液体改性碳材料的主要用途。综述了目前离子液体改性碳材料的主要应用,展望了离子液体改性碳材料的应用前景。

纳米碳材料在水泥基材料中分散技术及表征方法的研究进展

纳米碳材料具有独特的结构和优异的性能,能够作为增强材料改善水泥基材料的性能,受到了广泛研究与关注,然而这均以纳米碳材料在水泥中能够良好分散为基础。纳米碳材料比表面积大,分子间作用力强,难以直接分散在水泥基体中,且分散效果也不易判断。本文系统梳理了常见的纳米碳材料在水泥基材料中团聚的机理,总结了近年来国内外学者采用的分散技术,详细分析了各种分散方法的机理与优缺点,同时列举了纳米碳材料在水泥基材料中分散效果的表征方法。在未来的研究中,可以重点开发更高效、更适合工业化生产的分散方法,研究纳米碳材料在水泥基体中真实分散状态的评价手段,助力纳米碳改性水泥基复合材料在实际工程项目中的规模化应用。

基于碳材料的多维度柔性应变/压力传感器的研究进展

近年来,基于碳材料的柔性应变/压力传感器发展迅速,在临床疾病诊断、健康监测、电子皮肤和软机器人等智能可穿戴领域内具有广阔的应用前景。本文综述了基于碳纳米材料和生物衍生碳材料的柔性应变/压力传感器的制备方法和性能特征。根据碳材料的维度和结构特点,可将传感器划分为三大类型:一维纤维/纱线型、二维薄膜/织物型和三维多孔/网络型。本文还重点评述了不同维度碳基柔性传感器的研究进展和存在的问题。未来柔性传感器的发展重点将聚焦于新型结构设计、综合性能提升和多模式功能化应用。

碳材料纳米结构的调控及吸附水中有毒污染物研究进展

纳米碳材料因具有比表面积大、孔结构复杂、表面官能团丰富等结构特点,在水中污染物治理上应用广泛。本文总结了纳米碳材料的碳源和制备方法,分析了碳材料纳米结构调控的原理和影响因素,综述了纳米碳吸附水中有毒污染物的研究成果,并提出了未来纳米碳材料工业化应用需要突破的瓶颈问题。水热法、热解法和化学气相沉积是目前常用的纳米碳制备方法,糖类、石油化工产品以及生物质等传统碳源通过制备温度、活化剂等参数的调控均可获得纳米结构碳。开发的碳纳米管、碳纳米球和纳米孔碳等可与污染物更好的接触,因此对酚类、苯类、染料类、抗生素以及重金属离子等有毒污染物有明显的吸附优势。为了实现纳米碳吸附材料的广泛应用,未来还需要在纳米碳绿色高效制备工艺的研发、碳结构形成演变规律的探索、纳米碳宏观使用方案的设计以及纳米碳基复合材料开发等方面开展进一步的研究工作。

超级电容器用生物质基碳材料研究进展

超级电容器作为一种清洁型电化学储能器件在实现可再生能源存储转化领域具有巨大潜力,而碳材料因具有微观孔隙结构可调节、化学稳定性优异的优点在电化学储能领域得到了广泛应用。与此同时,生物质作为制备碳基材料的可再生前体,具有储量丰富、易获取、环保且成本低的优点。然而,由于生物质碳前体的化学组成复杂,导致不同生物质衍生碳材料在微观结构和表面性质方面存在较大差异,生物质衍生碳材料在超级电容器中的实际应用具有一定挑战。对超级电容器用生物质基碳材料的研究现状进行了综述,总结了生物质的组成和生物质基碳材料的制备工艺对生物质基碳材料微观结构的影响,并对具有不同维度结构的生物质基碳材料在超级电容器中的应用进行了介绍。对生物质基碳材料在超级电容器中的应用进行了展望,以期为生物质基碳材料的结构和表面功能调控以及开发低成本且性能优异的超级电容器的电极材料提供参考。

甲烷裂解制氢和碳材料工艺研究进展

双碳背景下,化石能源的清洁高效利用已成为能源结构转型中的重要发展方向。甲烷作为最清洁的化石能源之一,对其进行清洁高效利用被视为能源转型中具备良好发展前景的关键技术之一,受到了广泛关注。甲烷裂解制氢工艺具有在制备高纯度H_(2)和碳材料的同时不直接产生CO_(2)的优点。总结了流化床中催化甲烷裂解、等离子体甲烷裂解和熔融介质法甲烷裂解这3类典型的甲烷裂解制氢工艺,并围绕工艺的原理、优缺点以及研究进展等方面展开了介绍。以上3类工艺中,流化床中催化甲烷裂解制氢所需能量最少,但催化剂易积碳导致反应不可持续进行,且碳材料与催化剂的分离难度大,影响下游使用。等离子体甲烷裂解制氢的转化率高,但需要大量的能量输入。熔融介质法甲烷裂解制氢的能耗较低,碳材料漂浮在熔融介质表面,不影响反应的持续进行,且易于分离和收集,但高温熔融介质对反应器材质的要求较高,纯化碳材料的成本也会影响该工艺工业化的经济性。结合可再生能源是未来实现清洁高效的甲烷裂解制氢的发展趋势,通过利用太阳能、风能等可再生能源来提供裂解过程中所需的能量,可减少对传统能源的依赖。从目前的研究和发展趋势来看,结合可再生能源的熔融介质法甲烷裂解制氢工艺有望成为甲烷裂解制氢和碳材料的关键工艺。

碳材料在催化氨硼烷水解释氢中的应用

碳材料因其独特的化学和结构特性,在催化领域包括催化氨硼烷水解释氢中有广泛的应用。以碳材料的结构为侧重点,综述了不同维度形态的碳材料在催化氨硼烷水解释氢中的作用,并对其在催化氨硼烷水解释氢中所存在的问题以及今后的发展进行了总结和展望。

碳材料在镁基固态储氢领域中的应用进展

镁基储氢材料因其理论储氢密度高(MgH_(2),7.6%(质量分数))、来源广、成本低的特点,被认为是最具应用前景的固态储氢材料之一。但MgH_(2)的放氢焓值高(75 kJ/mol)、放氢温度高(>380℃),造成其动力学和热力学性能差,限制了在固态储氢领域的应用和发展。近年来,碳材料因结构多样化、可调控性强、比表面积大、力学性能高和电子传输能力强等优势,在镁基储氢材料的掺杂改性、纳米限域等方面应用广泛,可以有效改善吸放氢温度、循环性能和吸放氢活化能等性能指标,并取得了大量成果。本文主要针对碳材料在镁基储氢材料中的研究现状,归纳了碳材料的合成和改性方法,重点阐述了不同维度碳材料在镁基储氢领域的应用进展,并展望了未来的发展方向。

低温等离子体技术在碳材料表面改性中的应用

叙述了低温等离子体技术的基本原理,其次分别介绍了该技术在表面改性碳纳米管、石墨材料、氧化石墨烯以及新型多孔碳材料中的应用,列举了国内外该领域的部分研究成果,讨论了低温等离子体表面改性碳材料面临的挑战并对其未来发展进行了展望。

木质素基碳材料的改性及其在超级电容器中的应用研究进展

木质素是一种储量丰富、价格低廉且含碳量高的可再生生物质资源,分子骨架上丰富的官能团,如酚羟基、醇羟基、羧基和甲氧基等,可为木质素的化学改性提供足够的反应位点。木质素的分子结构设计灵活性和多样性适合制备杂原子掺杂的碳材料,通过在木质素结构中引入不同的杂原子(如氮、硫、磷等),可制备比表面积大、孔隙结构丰富与表面活性点位多的杂原子掺杂木质素基碳材料。本文综述了国内外近年来关于杂原子掺杂木质素基碳材料的制备方法(包括活化法、水热法、热解法、模板法和后处理法等)、杂原子掺杂的机理,以及在制备过程中影响碳材料孔隙结构的影响因素;并给出在制备、结构、应用等方面的可能研究方向,以实现木质素基碳材料在超级电容器中的高价值应用。

油茶果皮基碳材料的制备及其在超级电容器中的应用研究

通过碳化和活化两步法将油茶果皮废弃物转化为生物质多孔碳材料,并探究其在超级电容器电极材料中的应用。结果表明,活化过程中碳/碱质量比和温度对碳材料的结构有很大影响,当碳/碱质量比为1∶3、活化温度为700℃时制得的碳材料具有最高的比表面积(2453 m^(2)/g)、最大孔容(1.08 cm^(3)/g)以及丰富的边缘缺陷位点。这些特性增加了电极的活性位点,促进了离子传输,进而表现出优异的电容性能(电流密度为1 A/g时质量比电容为382.1 F/g)以及优良的循环稳定性。

Co基碳材料双功能催化剂在电芬顿体系中高效降解环丙沙星

抗生素的大量使用导致了环丙沙星(CIP)及其降解中间体在环境中的累积,这对环境和人类健康都具有很大的危害.近年来,使用电芬顿技术降解CIP被认为是一种具有广阔应用前景的水污染控制方法.本文以有机金属骨架ZIF-67作为前驱体,在不同温度煅烧下合成了一系列的Co基碳材料电催化剂(Co-NC-T),并用于CIP的降解.采用扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜以及X射线衍射仪对所合成催化剂进行了表征.X射线光电子能谱结果显示,性能最佳的Co-NC-900材料含有最高比例的石墨N,这有利于O_(2)通过2e^(-)还原反应生成H_(2)O_(2);Co的多重价态[Co(0),Co(Ⅱ)及Co(Ⅲ)]可以促进反应过程中的H_(2)O_(2)转化为多种活性氧物种.Co-NC-900催化剂可以同时促进H_(2)O_(2)的形成和活化,这有利于CIP的降解.猝灭实验和电子自旋共振实验结果表明,体系中主要的活性氧物种依次为·O_(2)-和·OH.活性氧物种可以协同参与污染物的降解,进而提高CIP的降解效果.CIP的降解性能测试结果显示,在pH=3的条件下,Co-NC-900对CIP的降解效率在120 min可以达到94.5%.

氮掺杂碳材料MG-T多相催化硝基苯加氢制苯胺

苯胺作为重要的化学中间体,主要通过催化硝基苯加氢反应制备.本文利用三聚氰胺和三聚氰酸制备牺牲模板MCA,以葡萄糖为碳源,合成了前驱体MG,再经高温碳化得到氮掺杂碳材料MG-T(T/℃,表示碳化温度),用于多相催化硝基苯加氢制苯胺反应.结合材料表征和催化评价结果初步探讨了反应机理.实验结果表明,碳化温度影响MG-T中氮物种构型的变化,石墨氮对催化剂的加氢活性起到关键作用.催化剂MG-800在水合肼作还原剂的乙醇溶剂中于80℃反应4h,硝基苯转化率为96%,产物选择性为100%,催化剂可循环使用至少9次,具有良好的稳定性和循环性,是一类可循环使用的硝基苯加氢制苯胺多相催化剂.

杂原子掺杂碳材料用于电合成过氧化氢的研究进展

过氧化氢(H_(2)O_(2))可广泛应用于市政饮用水、工业废水和城市污水的处理.然而,过氧化氢在储存和运输方面的风险(如腐蚀和爆炸)限制了其在分散式水处理中的应用.以二电子氧还原反应(2eORR)原位合成H_(2)O_(2)用于分散式水处理具有良好的应用前景.然而,未被催化的2e^(-)ORR动力学缓慢、选择性差,不能满足大规模生产的要求.相比之下,杂原子掺杂碳材料具有良好的2e^(-)ORR活性、选择性和稳定性.本文回顾了2e^(-)ORR的反应机理和催化剂的改性原理,进一步描述了杂原子N、O、F掺杂碳材料的作用机理,并总结了几种具有优秀2e^(-)ORR催化活性和选择性的掺杂结构.最后,对杂原子掺杂碳材料合成H_(2)O_(2)应用于水处理的未来发展进行了展望.

生物质基碳材料的制备及其在超级电容器中的研究进展

生物质基碳材料具有可再生性和灵活的微观结构可调性,作为高效、廉价的超级电容器电极材料受到越来越多的关注,但原生生物质衍生炭存在有低孔隙率、低比表面积和比电容不足等缺点。电极材料的比表面积、孔隙结构和导电性等都会影响超级电容器的储能性能,故如何制造具有高比电容、快速充放电且兼具一定柔性的电极材料成为了目前的研究重点。综述了超级电容器的类别、储能机理以及生物质基碳材料的制备方法和研究现状,分析了高质量负载电极的关键性能评价参数,并对其电化学性能影响因素进行了系统讨论,未来的发展趋势是将不同种类的储能器械集成复合型能源存储器械,以满足各领域需求。复合型的能源存储器械,大大提高了超级电容器的综合性能,因此研发高效、稳定的电能存储技术对于缓解能源短缺、减少环境污染和推动可持续发展具有重要的意义。

单原子Ni、N共掺杂碳材料基催化剂电还原CO_(2)制CO研究进展

单原子Ni、N共掺杂碳材料基催化剂(Ni-N-C)电催化CO_(2)制CO,因其在较大的电流密度和较大的过电势下仍具有超高的CO选择性,引起了广泛关注。本文综述了Ni-N-C电催化CO_(2)制CO研究进展,包括氮掺杂碳材料基催化剂和Ni-N-C电催化CO_(2)制CO。总结了氮掺杂碳材料基催化剂中不同形态N的催化活性,目前为止,N在该类催化剂电化学还原CO_(2)中的确切作用没有达成共识。此外,还总结了Ni-N-C的催化性能、催化机理及催化性能改性方法,探讨了与Ni配位的N原子和缺陷位对催化活性的影响规律,分析了各类碳载体的优缺点。Ni-N-C电化学还原CO_(2)制CO研究已取得一定的进展,如电流密度可达工业级要求,但是其实现大规模工业化应用还需解决一些关键问题,如开发高活性和高稳定性Ni-N-C的定向制备技术;研发制备简易温和、成本低廉、具有抗腐蚀性、耐高温的先进碳载体材料。

β-环糊精碳材料吸附处理苯酚污水的研究

采用β-环糊精作为原料,磷酸为活化剂制备β-环糊精碳材料,考查了单因素条件(活化温度、活化时间、浸渍比)对制备的碳材料产品性能的影响,得到了磷酸活化法制备活性炭的最佳工艺条件,即浸渍比为1∶2,时间为3 h,温度为500℃,测定最佳工艺条件下β-环糊精碳材料对苯酚溶液的吸附性能,考查了单因素条件(初始浓度、吸附时间、投炭量)对碳材料吸附苯酚的影响,得到了β-环糊精碳材料吸附苯酚的三个最佳优化条件,即苯酚溶液初始浓度40 mg·L^(-1),吸附时间30 min,投碳量0.09 g。磷酸活化法制备β-环糊精碳材料的工艺过程及其吸附性能的研究,为苯酚污水的预处理和实现水资源的循环利用有一定的借鉴意义。