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。

煤基碳点及其复合物的调制与催化应用

从煤炭及其衍生物中获得新型煤基碳材料是顺应双碳政策、助力煤炭精细化工水平与煤炭产业经济效益提升的有效方式。近年来,对于煤基碳点的制备与应用的研究日臻深入,碳点在调控复合物形成及能量转换中的作用日益凸显。首先综述了煤基碳点的制备与改性方法,然后着重介绍煤基碳点在复合物合成中发挥的诱导非均相成核、还原与稳定以及自组装后作为复合物载体等作用,并从光催化有机物降解与化学合成、电催化以及纳米酶3方面总结了煤基碳点及其复合物在催化中的应用进展。通过分析回顾煤基碳点领域研究成果与存在的不足,对未来的研究探索和挑战提出见解,以期促进多种煤基碳点新材料的设计研发,实现催化反应的高效与高选择性。

煤基碳材料的制备及其在电化学储能应用的研究进展

为提高电化学储能领域中煤基碳材料的应用效率,本研究旨在全面总结并比较煤基碳材料的制备技术和其在电化学储能中的实际应用。文章系统地探讨了煤基碳材料的三种主要制备技术:活化法、模板法和杂原子掺杂法,分析了各方法的制备原理、过程及其产物的特性。进一步,详细考察了采用煤作为前驱体制备的煤基无定形碳、煤基多孔碳和煤基石墨在电化学储能领域的应用现状和效果。研究结果显示,活化法、模板法和杂原子掺杂法均可成功地制备煤基碳材料,但各自具有不同的优势和限制。其中,煤基无定形碳因其高的比表面积和特殊的孔道结构表现出较好的电化学性能,特别是在超级电容器和电池应用中。并且煤基碳材料具有广阔的电化学储能应用潜力,但仍需针对特定应用优化其制备和处理工艺。以期本研究可为煤炭的清洁高效利用和新型煤衍生碳材料的开发提供了深入的理论指导和实践参考。

煤基碳量子点衍生炭的形貌控制及电化学性能

以太西无烟煤为碳源,采用化学氧化法制得煤基碳量子点,探讨煤基碳量子点水溶液质量浓度及干燥方式(冷冻干燥和高温烘干)对煤基碳量子点形貌的影响,并将质量浓度为10 g/L的煤基碳量子点水溶液分别冷冻干燥与高温烘干再进行高温炭化,制备煤基碳量子点衍生炭,应用于超级电容器。结果表明:在冷冻干燥条件下,煤基碳量子点的形貌随着质量浓度的增加呈“点—线—面”的趋势发展;在高温烘干条件下,不同质量浓度煤基碳量子点水溶液干燥后的形貌均呈三维块状。冷冻干燥条件下的煤基碳量子点衍生炭的形貌呈二维片状,比表面积为268.8 m^(2)/g,中孔率为19.1%;而高温烘干导致煤基碳量子点团聚紧缩成结构致密的块状,因此,炭化后仍为块状结构且不易脱除含氧官能团形成孔隙,高温烘干条件下的煤基碳量子点衍生炭的比表面积为192.5 m^(2)/g,中孔率为8.9%,但C=O和COOH含量丰富。二维片状形貌以及较高中孔率可以保证冷冻干燥条件下的煤基碳量子点衍生炭的倍率性能,初始比电容只有115.5 F/g,但在20 A/g时的容量保持率可达71.5%;丰富的含氧官能团使得高温烘干条件下的煤基碳量子点衍生炭赝电容更高,从而致使比电容更高,0.5 A/g的电流密度下比电容为132.4 F/g,到20 A/g时比电容仍达90.3 F/g。

煤基碳负极材料在锂离子电池中的应用研究进展

随着碳达峰、碳中和成为全球共识,电化学储能技术和相关产业得到了飞速发展,与此同时电极材料的需求也与日俱增。因此,如何利用来源广泛、成本低廉的前驱体制备高性能负极材料成为国内外研究的热点。煤炭因具有碳含量高、储量丰富和价格低廉等特点成为最有潜力的负极材料前驱体。近年来,研究者以煤炭为原料制备了无定型碳、石墨、碳纳米管和石墨烯等负极材料,并对其在锂离子电池中的应用进行了深入研究。总结了三类典型的煤基碳负极材料在锂离子电池中应用的研究进展,并对其合成方法、优化改性及电化学性能等方面进行了综述,最后对煤基碳负极材料的发展及应用进行了展望。

煤基碳纳米片宏观体的结构调控及电化学性能

煤炭的洁净加工与高效利用是国家实施能源发展战略的核心内容,而煤的材料化是实现其低碳高值化利用的重要途径之一。以自制煤基石墨为原料,采用液相氧化-热还原工艺制备三维层次孔煤基碳纳米片宏观体(CCNSs),利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、低温氮气吸附仪、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)等手段表征其微观结构,并采用恒流充放电和循环伏安测试探究CCNSs用作锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明,煤基石墨经液相氧化-热还原处理可制备出富含多孔结构和石墨微晶片层的碳纳米片宏观体。氧化剂用量是影响CCNSs微观结构的重要因素,通过调节氧化剂的用量可实现对CCNSs中多孔结构和石墨微晶片层结构的有效调控。当氧化剂与煤基石墨的质量比为4时,CCNSs-3材料以相互交联的类石墨烯片层为主体骨架,辅以孔径为1.5~100 nm的“微孔-中孔-大孔”层次多孔结构,共同构筑成3D层次孔煤基碳纳米片宏观体,其石墨微晶含量约为38.9%,比表面积达285.6 m^(2)/g,且含有5.47%的氧原子掺杂。在3D层次孔结构和石墨微晶片层的协同作用下,CCNSs材料用作锂离子电池负极材料表现出良好的电化学性能,在50 mA/g电流密度下的首次可逆容量最高可达917 mA·h/g(远高于传统石墨负极材料的理论容量372 mA·h/g),在2.0 A/g大电流密度下可逆比容量仍可达300 mA·h/g,经过120次循环后容量为1047 mA·h/g,展现出优异的倍率特性和循环稳定性,是一种比较理想的锂离子电池负极材料。

煤基碳四下游产业链发展趋势研究

随着煤制烯烃工业化装置陆续投产,煤基碳四资源日益增加。从工艺技术和市场应用出发,探讨了其适用于规模化生产的下游产业链,主要为裂解生产乙烯/丙烯、抽提/异构化生产丁烯-1、利用正丁烯生产1,3-丁二烯、2-丙基庚醇、异壬醇等,为实现煤基碳四综合利用,提高产品附加值提供了思路。

新疆煤基碳材料作为对电极在染料敏化太阳能电池中的制备

本文通过碱化活化发将新疆黑山煤进行高温活化，再将活化后的煤通过酸化、氧化等进行新疆煤基碳材料作为对电极在染料敏化太阳能电池的制备。

高硫煤基多孔碳材料的可控制备及其用于锂硫电池

高性能、低成本的多孔碳材料是理想的锂硫电池硫宿主材料,但利用廉价的原料实现其规模化制备仍面临巨大挑战。以资源丰富的高硫煤为原料,采用氧化镁和氢氧化钾作为模板剂和活性剂,制备了煤基多孔碳材料,并研究了其作为锂硫电池硫宿主材料的构效关系。研究发现,煤基碳材料制备过程中,模板剂MgO作用下产生介孔(占比74%);活性剂KOH主要导致微孔(占72%)生成;MgO和KOH共同作用制备的碳材料PCMgO+KOH比表面积大(1616 m^(2)/g)、孔容高(1.02 m^(3)/g)、孔结构丰富(介孔54%、微孔46%)。电化学性能测试结果表明,S@PCMgO+KOH具有良好的倍率性能和优异的循环稳定性,在1 C充放电倍率循环500圈后容量仍能保留553.2 mAh/g,容量保持率达65.5%,每个循环的衰减率低至0.069%;在2 C下,循环500圈后容量为484.0 mAh/g,容量保持率为63%,每圈衰减率仅0.075%,具有良好的倍率性能和优异的循环稳定性。PCMgO+KOH优异的电化学性能主要来自其较小的欧姆电阻和电荷转移电阻、快速的多硫化物氧化还原反应动力学及对多硫化锂优异的束缚能力。本研究为价廉性高的锂硫电池硫宿主材料的制备提供了可选择的路线。

煤基混合碳五的精准分析及综合利用

建立了煤基混合碳五烃类组分的气相色谱分析方法,对影响分离的色谱条件进行优化,采用质谱结合文献的方式定性各组分,并采用标样对部分组分进行了验证。在此基础上采用面积归一化法进行了定量分析,形成了煤基混合碳五全组分精准分析方法。借鉴裂解碳五的综合利用技术,针对煤基混合碳五的特点,对其馏分的综合利用进行了探讨。

一种轻质隔热碳基复合材料的制备

高马赫数飞行器的迅猛发展对热防护系统提出了严苛挑战,对隔热材料的耐高温、抗冲击、轻质化及稳定性等要求愈发严格。以甲醛、间苯二酚为主要原料,煤基碳泡沫为增强体,结合溶胶、凝胶原位生长、超临界二氧化碳干燥技术和高温热处理工艺,制得具备优异隔热性能的煤基碳泡沫复合炭气凝胶材料,系统研究了4型碳气凝胶对复合材料热学性能的影响,探讨了隔热机制。结果表明:碳气凝胶填充了煤基碳泡沫的孔结构,使复合材料在保持低密度(0.38 g/cm^(3))的同时,展现出了显著的低热导率特性(0.0778 W/(m·K)),隔热性能较碳泡沫增强体材料提升50%,可作为一种良好的隔热材料。

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。

煤基纳米碳氢燃料技术研发与应用

为积极落实国家“双碳”目标,国能准能集团立足能源资源禀赋和产业优势,通过科技创新,以煤炭清洁化燃烧和高值化利用为方向,在世界上首次研制出煤基纳米碳氢燃料。介绍了煤基纳米碳氢燃料的特性,阐述了国能准能集团在该燃料应用领域的创新研发和工业化探索,并归纳总结了取得的主要研发成果。煤基纳米碳氢燃料用于发电可有效节煤,替代柴油生产铵油炸药可降低炸药成本、提高炸药性能,替代水煤浆用于煤气化可提高煤气有效组分和气化产率。认为,煤基纳米碳氢燃料的创新研发将进一步提升煤炭附加值,引领煤炭行业绿色低碳发展。

煤基吸热型碳氢燃料热裂解动力学及产物分布

为了研究煤基吸热型碳氢燃料在高温下的热裂解转化规律,通过静态热裂解实验探讨了燃料在450~490℃的条件下的气体产率和裂解反应动力学,利用气相色谱(GC)和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分析了气体和液体产物组成分布。结果表明,煤基碳氢燃料的热裂解起始温度高,结焦倾向低,热裂解稳定性强。气体产物包括氢气、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和丁烯;液体产物长链烷烃裂解为短链烷烃,环烷烃转化为萘、苯、茚等芳香族化合物。热裂解动力学反应符合一级动力学方程,燃料热裂解速率常数为2.83×10^(-5)~1.54×10^(-4)s^(-1),活化能Ea=205.561±2.3 kJ·mol^(-1),指前因子lnA=23.69±2.0。

MnO_2/煤基碳纳米纤维的制备及其在柔性超级电容器中的应用

采用静电纺丝技术制备了柔性煤基碳纳米纤维(CBCNFs)。利用低温等离子体技术对CBCNFs进行改性,并将改性后的CBCNFs作为还原剂与KMn O4反应,以实现Mn O2的原位还原负载制备CBCNFs/Mn O2复合材料。通过X射线衍射、扫描电镜和透射电镜等手段对复合材料的结构与形貌进行了表征;另外,研究了其作为柔性超级电容器电极材料的性能。结果表明,KMn O4∶CBCNFs=2∶1(质量比)条件下制备的复合材料(CBCNFs/Mn O2-2)具有良好的电化学性能。在0.1A·g-1电流密度下,CBCNFs/Mn O2-2的比电容高达118F·g-1,为CBCNFs比电容(26F·g-1)的4.5倍,在1A·g-1电流密度下,循环1000次后比容量保持率为97%,表现出良好的循环稳定性。

一种新颖结构的煤基定向碳薄膜的制备与表征

以宏源精选煤为原料在微波等离子体条件下制备出一种新颖结构的碳材料,运用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜和能量色散谱技术对产物进行表征.结果表明:产物形状似莴笋状,外层石墨化程度较好,其最大宽度约为170nm,长度则为4～5μm,且呈定向排列.这种新颖结构的纳米碳材料有望在场发射、增强材料等方面显示出巨大的应用潜力.

煤基混合碳四深加工方案的探讨

通过对煤基混合碳四的组成分析,提出3种适合该原料的深加工方案,分别阐述3种方案的工艺技术、工艺原理、生产规模和产品方案。通过对投资、经济收益、生产和市场需求等方面进行分析和对比,得出初步结论:认为第3种方案经济效益好,第1种方案可以解决聚乙烯装置的原料供应问题。

煤基纳米碳材料制备技术的研究与应用

纳米碳材料可以由化工产品、木材、煤等原料制取,在现代工业中发挥着越来越重要的作用。我国煤炭资源丰富,开发煤基纳米碳材料制备技术意义重大。文章介绍了碳纳米管和石墨烯两种具有代表性纳米碳材料的结构、特点、应用前景,阐述了以煤为原料制备两种材料的工艺流程,以为提高煤炭资源的综合利用程度提供理论参考。

煤基甲醇制烯烃副产碳四综合利用工艺路线选择及优化

为了实现煤基碳四的综合利用,提高碳四产品附加值,通过引进醚化工艺和羰基合成技术,确定了经济效益较高的煤基甲醇制烯烃(MTO)碳四副产甲基叔丁基醚(MTBE)、1-丁烯和2-丙基庚醇(2-PH)工艺路线。基于存在的产品质量不合格、产量偏低及催化剂成本偏高等问题,通过工艺改进实现了工艺技术的优化。结果表明,优化后MTBE产品质量分数提高至93.5%以上,2-PH产品产量达7.5 t/h以上,配体催化剂使用成本降至1500万元。