煤基功能碳材料的合成及储能应用

煤及其热加工转化的衍生品煤沥青等是重要的化工资源,基于分子化学工程的技术方法和多维碳材料工程的新理念,发展煤基功能碳材料是实现煤炭资源清洁高效高值利用的有效途径。煤炭及煤沥青在分子层面呈现稠环芳烃特性,可通过物理外场(微波、等离子体等)强化作用,利用分子化学裁剪、杂化改性、界面组装等技术手段,实现零维、一维、二维和三维煤基功能碳材料的可控合成,将推动煤基功能碳材料的储能应用。介绍了煤及其热加工转化衍生品的来源、种类及理化性质,系统总结了数种煤基功能碳材料如碳点、炭纤维、碳纳米管、石墨烯、炭纳米片、多孔炭、炭气凝胶、泡沫炭等的制备方法及优缺点;重点介绍了硬炭、软炭、多孔炭、杂原子掺杂炭等煤基功能碳材料的储能应用,突出了碳层取向调控、杂原子掺杂、限域空间构筑等技术策略在提升碳材料离子存储性能方面的重要作用;介绍了煤基功能碳材料与过渡金属或过渡金属化合物有机耦合制备复合材料的方法,诠释了煤基碳源之性质与高容量且体积变化明显的碳电极材料之结构性能间的本征构效关系;讨论了煤基功能碳材料面临的可控度低、前驱体分子结构演变复杂、合成方法优化等问题。基于分子化学工程理念及过程强化技术的发展,讨论了煤基功能碳材料的未来发展方向。