煤/生物质基分级多孔炭制备工艺的优化与应用

为实现煤层气的高附加值利用，通过在煤中添加生物质和KOH合成一种煤/生物质基分级多孔炭，并将其应用于煤层气直接裂解制氢，从而获得高纯氢气和一定数量的碳材料。鉴于煤/生物质基分级多孔炭在制备过程中影响因素众多的问题，采用Design-Expert软件构建了制备煤/生物基分级多孔炭材料的实验方案，结合合成的多孔炭材料催化煤层气裂解制氢反应的实验数据进行了影响因素分析，建立了影响因素与反应转化率之间的拟合方程并对实验方案进行了优化。结果表明：温度和碱碳比是煤/生物质基分级多孔炭制备过程中的主要影响因素。优化得到的制备条件理论最优解与实验值之间的最大误差为3.3%，说明Design-Expert软件对制备过程的优化是准确且可靠的。与原煤炭材料相比，煤/生物质基分级多孔炭催化裂解煤层气具有较高的活性。前者反应后表面生成大量的碳球，而后者表面则生成大量的碳球和碳纤维。     

超级电容器用生物质衍生多孔炭材料研究进展

能源消费增加促使绿色能源开发成为趋势,同时推动能源存储系统快速发展,超级电容器以高功率密度和长循环寿命的优势得到广泛关注,其中电容炭材料逐渐成为研究热点。用来源广泛、有可再生性、价格低廉、绿色环保的生物质制备超级电容器用多孔炭材料,在开发绿色能源的同时解决了能源存储问题。多孔炭材料结构调控与性能完善是提高超级电容器性能的重要途径之一。综述了生物质衍生多孔炭材料及其在超级电容器领域的应用,按原料来源(植物、动物和微生物)及材料维度(0D、1D、2D和3D)的分类体系,多孔炭材料制备方法及技术现状。将多孔炭的制备分为炭化和活化,简述了炭化与活化机理、活化方式选择和常见活化剂特性,但生物质衍生多孔炭材料制备过程中影响因素多,且性能不及传统煤基碳材料,需进行多方面设计优化,包括选择生物质前驱体、合理使用炭化技术、调控活化过程各影响因素和选择改性过程中掺杂物等。基于在超级电容器领域的应用需求,重点探讨生物质多孔炭材料优化方式,包括孔结构调控、表面元素掺杂及与石墨烯复合形成新型炭材料等。梳理多孔炭材料用于超级电容器中时的难题与重点,通过寻找多孔炭材料在高比表面积、均匀孔隙分布和高导电性3方面的最优...     

废弃物衍生分级多孔炭的制备及吸附应用进展

分级多孔炭因其高比表面积、大孔容及分级孔结构,目前广泛应用于超级电容器、锂离子电池、催化及吸附等领域。废弃物在热解气化过程中残留的碳基材料则是制备分级多孔炭很好的前体。本文根据废弃物来源及自身特性间的差异,对生物质和非生物质废弃物作为原料制备的分级多孔炭的特性及应用进行了综述及总结。并对不同制备方法的优劣及适用对象进行了比较。对分级多孔炭在挥发性有机物（VOCs）吸附、CO₂吸附捕集、染料吸附、抗生素以及酚类物质的吸附过程进行分析,总结出废弃物基多孔炭在孔径结构及表面杂原子掺杂情况下的优势能够增强这几类物质的吸附效果。结合已有文献,对废弃物基分级多孔炭的制备、孔径设计及表面官能团设计提出展望。     

煤基功能炭材料的制备及应用

基于分子化学工程和纳米材料科学的技术理念，发展和应用煤基功能炭材料，对于实现煤炭资源清洁利用以及高附加值煤炭产业升级具有重要意义。煤是由芳香族和氢化芳香族基团组成的、具有三维(3D)交联网络结构的天然材料。独特的分子结构特性赋予煤(煤的衍生物)具有合成多种煤基功能炭材料的巨大潜力。近20 a来，煤基功能碳材料取得了很大进展，对其进行全面总结，有利于明确煤炭及其衍生物制备功能碳材料的现状和发展方向。利用分子剪切、化学气相沉积、电弧放电、静电纺丝等技术手段，实现了零维到三维煤基功能碳材料的可控制备，系统梳理了煤基石墨烯炭量子点、炭球、炭纳米管、炭纤维、煤基石墨烯及煤基多孔炭的研究现状。重点总结了多维煤基炭功能材料在储能、催化、界面分离等领域的优势和不足。分析讨论了煤基功能炭材料面临的可控度低、分子结构复杂以及合成手段难以规模化应用等问题，以期为新型煤基功能炭材料的设计、制备和应用提供一定的参考和启示。     

文摘

X射线衍射全谱拟合法测定碳/碳复合材料的点阵常数 利用X射线衍射仪，采用全谱拟合的方法，测定三种不同炭材料的点阵常数、石墨化度及微晶参数，测得三种炭材料（每个样品重复5次试验）六方晶系的n的标准偏差小于     

煤基石墨烯量子点在超级电容器中的应用

针对目前制备煤基活性炭氢氧化钾(KOH)使用比例过高及孔结构分布不合理问题，以太西无烟煤为碳源，先采用高铁酸钾与过氧化氢分步氧化将其氧化为石墨烯量子点，再与KOH混合活化制备煤基石墨烯量子点活性炭。结果表明，这种方法可降低KOH使用量(使碱炭比小于1)，且碱炭比对煤基石墨烯量子点的活化机制与对煤的活化机制类似：KOH用量较少时(碱炭比0.25)只有造孔作用；增加用量后(碱炭比0.5),KOH不但有造孔作用，还有扩孔作用；过量的KOH (碱炭比0.75)则以扩孔为主。随着碱炭比的增加，活性炭的比表面积与总孔容也随之增加，微孔率逐渐下降，中孔率和平均孔径都在增长。在碱炭比为0.75时，活化效果最好，GQDAC-0.75比表面积为1207.3m²/g，微孔率为39.5%，中孔率为51.8%；得益于其独特的“大孔-中孔-微孔”的层次孔结构，GQDAC-0.75表现出最优的电化学性能，在0.5A/g电流密度下比电容达243.6F/g，当电流密度增大到10A/g时，GQDAC-0.75的比电容保持在202.2F/g，继续增大电流密度到100A/g，比电容仍有179.5F/g，...     

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 m²/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 m²/g,中孔率为8.9%,但■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...     

多孔淀粉基炭微球的制备及其在双电层电容器中的应用

通过简单的无机盐磷酸氢二铵催化稳定化、炭化及不同碱炭比KOH活化制备了高比表面积的多孔淀粉基炭微球材料。采用电子扫描显微镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）及N₂吸脱附测试对实验所制得的炭微球样品的形貌及孔结构进行了分析。结果表明：不同KOH碱炭比制备的多孔淀粉基炭微球材料具有较大的比表面积（﹥2 300 m²/g）,且均含有大量的大孔和微孔,在6 mol/L的 KOH电解液对称的双电层电容器中多孔淀粉炭材料表现出优异的电化学性能,在100 A/g的大电流密度下,炭微球电极材料具有最大的质量比电容高达248 F/g。     

关键参数交互作用对煤基泡沫炭体积密度的影响

为了研究工艺参数交互作用对煤基泡沫炭体积密度的影响,以肥煤镜质组富集物为前驱体,采用高压渗氮法制备煤基泡沫炭。利用Design Expert V8.0.6软件对泡沫炭制备试验进行方案设计,据此研究捣固压力、发泡温度、发泡压力和发泡时间交互作用对泡沫炭体积密度的影响规律。结果表明:体积密度与各因素间的定量数学关系模型准确可靠。模型交互作用项对泡沫炭体积密度影响由高至低的显著性排列顺序为:发泡压力×发泡时间、捣固压力×发泡时间、发泡温度×发泡时间。另外,还得出令人欣慰的发现,即制备相同体积密度的泡沫炭可以有多种工艺参数组合,以最优实验方案中发泡温度和发泡压力较低的工艺组合制备泡沫炭,可以降低制备泡沫炭时的能耗及对设备抗压性的要求。     

微波活化氧解褐煤制备密集多孔炭及其吸附性能

以H2O2处理后的褐煤为碳源,在微波场条件下,利用KOH活化氧解褐煤(OC)制备多孔炭材料(PC).在单因素实验基础上,使用响应曲面优化实验设计,分别考察微波功率、活化时间和活化剂与OC的质量比对PC碘吸附量的影响,建立响应值与影响因素的回归方程.结果表明:优化PC制备条件为微波功率430 W、活化时间14 min、活...     

Mg(NO_3)_2对煤基活性炭及其催化甲烷裂解制氢的影响

为改善煤基活性炭(AC)催化甲烷裂解的活性和稳定性,通过在煤中原位添加Mg(NO_3)_2和KOH的方法制备出一种新型煤基活性炭(x Mg-AC)。利用FT-IR、XRD、SEM等对其进行表征及分析,结果表明,煤原位添加Mg(NO_3)_2可以提高x Mg-AC表面的含氧基团浓度和炭结构的无序性。在催化甲烷裂解制氢过程中,x Mg-AC较AC具有更高的转化率和更多的碳纤维,其中5Mg-AC的催化效果最佳。     

神府丝炭制备分离CH_4/N_2的炭分子筛工艺及其性能研究

以神府煤丝炭(SFF)为原料,采用炭化-KOH活化-苯气相碳沉积方法制备用于变压吸附分离CH_4/N_2所用的成型炭分子筛(FCMS),活化过程的最优条件为:碱炭质量比=3∶1,活化温度为700℃,活化时间为90 min;碳沉积过程最优条件为:碳沉积温度为800℃,碳沉积时间为5 min,苯流率为3 m L/min,在此条件下,FCMS的碘吸附值和比表面积分别为985.23 mg/g和1 195.52 m2/g,微孔孔容占63.18%。利用FCMS进行了CH_4和N_2吸附量测试和Langmuir吸附模型的拟合,得出CH_4为强吸附组分,CH_4/N_2在FCMS上的分离系数为2.50。单塔穿透实验表明,CH_4在FCMS上的穿透时间延迟了171 s,证实了FCMS吸附甲烷的能力增强。     

混合盐模板法制备超级电容器用氮掺杂分级多孔碳纳米片

分级多孔碳在电化学储能方面展现了巨大的潜力。模板与活化法相耦合是制备分级多孔碳最有效的方法之一。然而,该方法使用强酸和强碱,对环境造成污染。因此,开发一种无酸无碱制备分级多孔碳的方法迫在眉睫。以氯化钠和碳酸钠混合盐为模板,煤沥青为碳前体,碳酸钾为活化剂,合成了氮掺杂分级多孔碳纳米片（NHCNs）。模板与活化剂可以通过水洗除去,无需使用强酸和强碱,该工作为合成分级多孔碳纳米片提供了一种无酸无碱的技术。合成的NHCNs具有大的比表面积（1597 m²·g^-1）、丰富的微/中孔、适量的氧和氮杂原子。这些独特结构赋予NHCNs电极优异的超级电容性能。在KOH电解液中,NHCNs电极显示了高的比电容和好的循环稳定性。     

不同变质程度煤衍生硬炭的储钠行为研究

煤具有碳含量高、芳香结构发达、成本低廉等优点,是制备钠离子电池硬炭负极材料的优质前驱体。然而煤种类繁多且含有无机杂质,不同种煤热解成炭后材料的石墨化度、碳层间距和表面化学组成各异,导致煤基硬炭负极的电化学性能优化难以展开。选择四种不同变质程度的煤,采用酸洗脱灰、高温炭化的方法制备了系列煤基硬炭,研究了变质程度、炭化温度对煤基硬炭微晶结构和表面杂原子组成的影响,并考察了其相应的储钠行为。其中,褐煤1400℃炭化得到的硬炭性能最佳,在0.02 A·g^-1电流密度下表现出338.8 mA·h·g^-1的比容量和81.1%的首次库仑效率。优异的电化学性能归因于褐煤硬炭较大的碳层间距和丰富的储钠缺陷位点,提供了高嵌入和吸附储钠容量。     

KHCO3一步活化法制备高含氧量褐煤基超级电容器多孔炭球

作为富含含氧官能团的有机大分子，褐煤被认为是制备富氧多孔炭材料的天然前驱体。对褐煤进行酸洗氧化改性进一步增加其氧含量得到酸洗氧化褐煤(OAWSL),以KHCO₃为活化剂，在高温下分解并与碳反应生成大量气泡，气泡穿透碳层逸出形成大量孔隙，并鼓泡形成了独特的球状表面，得到了多孔炭球。同时探究了KHCO₃添加量对多孔炭结构和作为超级电容器电极材料时电化学性能的影响。研究发现，酸洗氧化褐煤与KHCO₃质量比为1∶3时得到的多孔炭球具有最均匀球状结构、最大微孔占有率(90.88%)和最高氧含量(22.17%)。以该多孔炭球为电极材料，在以6 mol/L KOH为电解液的三电极体系中得到了323 F/g的比电容(0.1 A/g),组装的超级电容器最大能量密度为6.17 W·h/kg,在2 A/g电流密度下循环20 000次后电容保持率为96%,库伦效率保持100%,可为褐煤基富氧多孔炭材料的制备提供理论支撑。     

固废基硫掺杂多孔炭材料制备及其对CO2吸附性能研究进展

含碳固废来源广、产量大,其大量堆存严重制约了环境可持续发展,因此含碳固废资源化利用意义重大。利用含碳固废制备多孔炭材料是其清洁高效利用的重要方式之一。对多孔炭进行硫原子掺杂不仅可使材料表面的亲水性得到改善,还可以改变材料表面的化学异质性,生成有利于CO₂捕集的活性位点,强化材料对CO₂分子的吸附作用,从而提高其CO₂吸附容量。简述了固废基硫掺杂多孔炭材料的制备方法,总结了硫掺杂多孔炭材料用于CO₂吸附的最新研究进展,并对硫掺杂多孔炭材料未来发展趋势及其在CO₂吸附领域的工业化应用进行了展望。     

偏氯乙烯聚合物基多孔炭的制备及应用研究进展

叙述了以偏氯乙烯聚合物为碳源,通过高温直接炭化制备微孔为主的多孔炭,及炭化、催化活化和模板法制备中孔-微孔复合多孔炭的研究进展,归纳了影响2种新型多孔炭制备过程中炭材料孔隙的主要因素.介绍了偏氯乙烯聚合物基微孔和中孔-微孔复合多孔炭材料在超级电容器电极、催化剂负载和吸附分离等方面的应用.认为偏氯乙烯聚合物基多孔炭属新型...     

新型煤基微晶炭的制备及电容特性研究

超级电容器具有广泛的应用领域,但由于传统活性炭在能量密度和导电性方面不能充分满足社会对超级电容器的需求,严重限制了其在大型储能装置中的应用。因此,研发具有更高储能性能的材料具有重要意义。本文以资源丰富的太西无烟煤为前驱体,采用预炭化-KOH活化联合工艺制备新型煤基微晶炭,并将其用作超级电容器电极材料。利用X射线衍射(XRD)、低温N_2吸附等手段表征煤基微晶炭的微晶结构及孔结构参数,并利用恒流充放电,循环伏安,交流阻抗等探究对应电极材料的电化学性能。结果表明,煤基微晶炭含有大量较为完整的类石墨微晶结构,且随着碱炭比用量的增加,类石墨微晶结构被逐步破坏,其层间距d_(002)由0.391 5 nm逐渐增至0.405 9 nm。在碱炭比4∶1、活化温度800℃、活化时间为2 h的条件下,可制备出比表面积为928 m~2/g、总孔容为0.527cm~3/g、中孔率为26.46%的微晶炭。将该煤基微晶炭用作电极材料在以1 mol/L(C_2H_5)_4NBF_4/PC为电解液的超级电容器中,表现出优异的电化学性能:50 m A/g的电流密度下比电容为94.8 F/g,能量密度可达40.3 Wh/kg,在500 m A/g电流密度下1 000次循环后比电容保持率为87.3%,具有良好的循环稳定性,并且在阻抗曲线中体现出更小的离子扩散阻力和内部阻抗。首次充电过程中充电曲线发生折转,发生了"电活化"现象。这时,微晶炭片层周围的电解液离子和溶剂分子进行插层作用,利用片层空间充分储存电子以提高能量密度。煤基微晶炭的电容特性主要由插层电容和双电层电容2部分组成,其中"电活化"现象所造成的插层电容是决定微晶炭较高能量密度的主要原因。新型煤基微晶炭优异的电化学性能与其微晶结构和丰富的孔隙结构密切相关。     

焦粉的高附加值利用

评述了煤基焦粉在生产合成气、制备活性炭、焦炭以及作为燃料和锂离子电池阳极材料等方面的研究现状,介绍了纳米炭材料的合成过程及其电化学性能。指出,煤基焦粉是制备锂离子电池阳极材料的理想碳源之一,从焦粉制备锂电池阳极材料是实现焦粉高附加值利用的有效途经。     

化学活化法制备玉米芯基多孔炭材料

以玉米芯为原料,采用化学活化法可制备多孔炭材料。分别考察了活化剂、碱/炭质量比对多孔炭比表面积以及孔隙结构的影响。结果表明:由Na2CO3活化所得活性炭的中孔较多,比表面积小;而KOH因其强碱性,适合制备微孔发达的高比表面积活性炭,在碱炭比为31时能够制备总孔容和比表面积分别高达1.339cm3/g和2342m2/g的样品;用混合碱(Na2CO3:KOH:C=1:2:1)活化样,其特殊之处在于其微孔所占比例达到93.38%,且中孔分布更窄(2～4.5nm),说明混合碱的作用更易于制备微孔发达的活性炭。