煤基泡沫炭制备及其电化学性能影响研究进展

泡沫炭具有比表面积大、孔隙率高、结构可控等特点,使其在超级电容器电极材料领域具有广阔的应用前景,而以煤、煤液化残渣、煤液化沥青、煤焦油沥青等煤系物为原料制备得到的煤基泡沫炭具有较高的导电性且制备工艺简单、原料来源广泛及产品价格低廉,因而可将煤基泡沫炭作为电极材料应用于超级电容器。基于不同的前驱体材料制备方法也有所区别、制备而得的泡沫炭性能及其应用场景也有差异,需对煤基泡沫炭制备及其电化学性能影响研究进展进行汇总分析。简介煤基泡沫炭的结构,剖析煤基泡沫炭制备方法中的分离焦化法、混合前驱法、高压渗氮法、限制膨胀法、超临界发泡法、自发泡法、模板法,阐述炭电极材料的比表面积、孔径分布、表面化学基团、石墨化程度对电化学性能的影响机制,为合理调控各影响因素之间关系及得到最佳电化学性能提供一定的参考。研究表明:较高的有效比表面积有利于煤基泡沫炭的比电容和能量密度,但其超高比表面积主要由微孔贡献,孔径较小的微孔会导致电解质离子和溶剂化离子无法进入孔内且在微孔孔口堆积,影响双电层的有效形成;理想炭电极材料具有三维分层多孔结构,相互连通的微—介—大孔有助于离子扩散和电子转移,发达的孔隙结构有助于提高倍率性能、功率密度和循环寿命;导电性取决于石墨化程度,炭化温度越高则石墨化程度越高、导电性越强,但过高的炭化温度会造成孔泡完整度下降,破坏泡沫炭三维分层孔结构,且使材料表面杂原子、官能团析出,降低材料润湿性及法拉第赝电容,造成比电容大幅下降;杂原子掺杂有助于提高材料润湿性与总比电容、贡献赝电容、调控结构和提升材料循环稳定性及电容保持率,但同时对石墨化程度、比表面积等也会产生不利影响。炭电极材料的比表面积、孔径分布、表面化学基团、石墨化程度4个因素相互影响与制约,找到合理的平衡点可有效调控其比电容、导电性、循环稳定性、倍率性能、能量密度、功率密度等,但在实际研究中难以兼顾炭电极材料比表面积、孔径分布等4个因素,因此需采用其他方法以实现煤基泡沫炭电化学性能的优化,未来需通过模板复制、物理化学活化、杂原子掺杂、二元/三元复合等手段以实现泡沫炭结构的设计和电化学性能的调控。

中低温煤焦油沥青质的分析表征

采用XPS、XRD、FT-IR、^(13)C-NMR、元素分析等手段分析表征了中低温煤焦油正庚烷沥青质(CT-C7沥青质),系统研究了CT-C7沥青质表面元素的赋存状态、相对含量以及其晶体结构。结果表明,该沥青质的主要结构为多环稠合芳香烃并富含杂原子,其芳香度(fa)明显大于一般原油沥青质;烷基链间距和芳香片层直径值较小,其芳环上烷基侧链短而少且难以形成堆积结构;表面C主要以sp2和sp3碳的形式存在,二者摩尔分数之和达69.9%,以C=O和COO—基团存在的C较少。该沥青质表面的杂原子以O原子为主,N和S原子较少,其中含氧官能团主要是酚羟基和醚氧基,摩尔分数达61.9%。含氮官能团主要以吡啶氮(N-6)和吡咯氮(N-5)为主,二者摩尔分数之和为80.5%;含硫官能团中,噻吩硫、烷基硫比较多,摩尔分数之和达51.7%。该C7沥青质表面加氢难度较大的N-6、N-5和噻吩硫的摩尔分数低于石油沥青质,这可能是煤焦油加氢工艺中N、S脱除效率较高的原因之一。

微藻水热液化生物油化学性质与表征方法综述

微藻水热液化生物油由于性质较差,不能直接作为车载燃料使用,与现代石油炼制工艺结合是一种新的应用途径。综述了微藻生物油的化学性质,包括化学组成、官能团组成与杂原子化合物组成等信息,比较分析了GC-MS、FTIR、NMR和FT-ICR MS等表征方法的异同,简要回顾了微藻水热液化反应机理和精制方法。重点指出微藻水热液化生物油中含氧、含氮化合物含量较高,并具有较高的芳香度和不饱和度,催化加氢精制能够有效脱除杂原子,并增加烷烃含量。微藻基生物燃料的发展,不仅需要精制工艺的提升,也有赖于表征方法的进步。

渣油族组成及分子结构研究进展

综述了近10年来渣油的分离与分析及渣油族组成化学结构的宏观和微观研究方法,并对这些方法的原理、特点及其应用做了详细的论述。现代分析测试技术,如光谱学、色谱学等与化学计量学相结合,为渣油组成含量的研究提供了一些新方法;质谱法、选择性化学降解法,热解法等在渣油分子细节结构的研究中不断有新的突破,几种分离分析技术的综合应用体现出了良好的分离分析效果。

炭基杂原子官能团 对木质素模型化合物热解的影响机制

采用官能团化碳纳米管模拟半焦表面活性官能团,通过热裂解气相色谱/质谱联用仪(Py-GC/MS)研究其对β-O-4型木质素模型化合物热解的影响机制。结果表明:β-O-4型模型化合物在低温下以协同反应为主,高温下均裂反应的竞争性高于协同反应。炭基杂原子官能团能够有效促进β-O-4型模型化合物中Cβ-O键的断裂,主要通过氢键和π-π堆积效应与β-O-4模型化合物分子发生相互作用,达到催化热解的作用。

二维 B、N 掺杂炭片的电化学氧化及其赝电容性能

在炭基电极材料中引入氧化还原赝电容是提升其比电容的有效手段,有望解决炭基超级电容器低能量密度的瓶颈。本文通过原位电化学氧化,在B、N掺杂二维纳米炭片电极上引入电化学活性含氧官能团,以显著提升炭基电极的赝电容,并研究了B、N掺杂炭在不同氧化工艺下的表面组成和电容性能变化。结果表明,B、N掺杂可以提升氧化电极的电子传输和电荷转移,有效促进电化学氧化效果,提高电极的赝电容。此外,相比于恒压氧化工艺,循环伏安氧化方法可以有效提升炭电极的氧化深度和总氧含量,并且也有利于选择性地生成以电化学活性的醌基为主的含氧官能团。制备的氧化电极在1 A·g^(−1)电流密度下显示出601.5 F·g^(−1)的高比电容,并在20 A·g^(−1)下仍保持74.8%,显示出良好的倍率性能。此外,氧化电极还表现出优异的循环稳定性,在5 A·g^(−1)下8000次循环后保持了初始电容的92.6%。

石油焦基多孔碳催化析氢反应性能研究

析氢反应是水分解制氢的关键步骤,有关析氢催化剂的研究是新能源研究领域的热点课题。本文对石油焦基多孔碳进行表面改性,将氧、氮等杂原子官能团引入碳材料表面。电化学测试表明,在石油焦基多孔碳表面同时引入含氮和含氧官能团,可以更高效地提高其析氢反应活性,其析氢反应过电位可以达到170 mV,表现出优异的析氢催化活性,是一类有潜力的析氢反应催化剂。

溶剂浸沥精制煤沥青对针状焦的影响

以煤沥青为原料,通过庚烷/四氯化碳浸沥抽滤脱除杂原子官能团,经炭化和煅烧制备针状焦。分别用红外光谱、偏光显微镜、XRD、电化学工作站来分析抽提后的沥青,观察半焦显微结构,分析半焦及针状焦的纤维结构和电化学性能,对不同溶剂的提取效果及杂原子官能团对中间相取向和微晶结构的影响进行分析。实验结果表明:经四氯化碳和庚烷混合溶剂预处理后的煤沥清可有效去除S、N,通过炭化、煅烧可得到高取向度的纤维状半焦和针状焦,而且电化学性能也得到了有效提高。