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炭材料

来源：洁净煤技术

行业视野: 煤化工
类别; 64个
关键词; 80位
专家; 16篇
论文; 13747IP
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碳材料对燃煤烟气硫脱除及资源化研究进展

作者(Author)：曲智斌, 孙飞, 皮信信, 郄志鹏, 高继慧

摘要：中国发电煤耗每年近20亿t，虽然传统湿法脱硫工艺能够实现燃煤污染物SO2的有效控制，但由于存在水耗高、副产劣质石膏量大难用等缺点，面临可持续发展困境。相比之下，基于多孔碳材料的SO2脱除技术由于具备水耗少、无二次污染、污染物可资源化回收、吸附剂可再生利用等优点，是重要的发展方向。笔者综述了目前基于碳材料吸附、催化过程的燃煤烟气硫脱除及资源化研究进展，论述了碳材料资源化脱硫工艺的关键技术环节，最后提出了燃煤烟气硫脱除及资源化的未来科学和技术方向。碳材料内SO2吸附-催化反应机制及产物迁移路径，重点讨论了碳材料孔结构、官能团、金属氧化物负载对SO2吸附转化及副产物迁移的影响。研究表明，碳材料分级孔结构内存在SO2吸附转化以及产物硫酸的迁移过程；在碳材料中掺杂以氮和氧为代表的非碳元素能改变碳平面的电子结构，调控SO2在碳材料中的吸附和催化氧化过程。因此，碳材料孔隙与功能性官能团的协同定向构筑是强化碳材料吸附转化SO2、提升脱硫性能的有效方式。脱硫饱和碳材料再生及硫资源化回收技术路径，重点讨论了碳热还原方法将SO2资源化转化为硫磺的影响因素。热再生能耗高、活性焦质量损失严重；水洗再生效率低，活性焦循环脱硫能力差，高效再生需要活性焦不同尺度孔隙结构的有效配组，以强化物质输运扩散；在各种脱硫副产物中，硫磺物质量小、价值高、便利储运，是理想的资源化回收目标；碳基还原剂活性与选择性的调控是实现高效硫磺生成的关键。论述了高性能煤基活性焦的低成本宏量制备方法，重点讨论了强化脱硫过程的分级孔活性焦低成本制备方法。传统柱状活性焦制备工艺复杂、成本高且孔隙结构呈微孔分布，存在内扩散阻力大、内表面利用率低、SO2脱除及再生脱附性能差等问题。破碎或颗粒状活性焦有望降低活性焦制备成本且实现活性焦孔隙的深度调控，但结构稳定性（强度）的提升是关键。通过催化活化、配煤、催化石墨化方法，可望实现兼具高活性和高结构稳定性的脱硫活性焦制备。

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洁净煤技术

2020年第01期

1084

709
煤基碳纳米管制备技术和生长机理研究进展

作者(Author)：张天开, 王琪, 张永发

摘要：我国煤炭资源丰富，但现阶段以燃烧、热解和气化等为主的传统利用方式存在资源浪费、环境污染和经济效益低等问题，且我国以煤炭资源为主题的能源结构在短期内不会发生改变，因此，清洁、高效利用是新时期煤炭资源的立足点和首要任务。另一方面，碳纳米管因其独特的一维结构在力学、电学和热学等方面具有优异的特性，使其在复合材料、电子材料和能源材料等领域具有广泛的应用，但是碳纳米管制备成本偏高的问题较为突出，严重限制了其大规模的应用，现阶段急需开发新型、环境友好的碳纳米管制备技术。宏量、低成本的煤基碳纳米管制备技术可以同时较好地解决上述2个问题。笔者基于文献重点分析了反应原料、放电气氛和催化剂等因素对电弧放电法和等离子体射流法2种煤基直接制备碳纳米管技术的影响，讨论了原料种类、催化剂、反应温度、升温速率和反应气氛等因素对化学气相沉积法-煤基间接碳纳米管制备技术的影响过程。分析发现，在电弧放电法和等离子体射流法中，原料种类对碳纳米管产物的产量具有重要作用，放电气氛对碳纳米管产物的类型具有重要影响，催化剂对碳纳米管产物产量和类型均具有重要影响；在化学气相沉积法中，原料种类对碳纳米管产物形貌、长径比和有序度等性质具有重要影响，催化剂对碳纳米管产物的生长过程具有重要影响，反应温度和升温速率对碳纳米管产物的管径变化和类型具有重要影响，反应气氛可改变催化剂的催化效果。此外，总结了煤基碳纳米管直接和间接制备技术中碳纳米管的生长机理的类型及特点：其中，直接制备技术中碳纳米管生长过程符合碎片式生长机理，而间接制备技术中碳纳米管生长过程可分为气-液-固（VLS）、气-固-固（VSS）、气相成核（VPN）和阶梯式等类型。分析认为应当深入开展以下工作：探究煤、煤热解气和商业煤气等廉价原料制备碳纳米管的过程，进而建立和完善原料与碳纳米管产物之间的关系体系；开发新型、高效的煤基碳纳米管催化剂制备技术；建立新的碳纳米管生长模型，进一步丰富和完善碳纳米管生长模型体系。

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洁净煤技术

2020年第01期

869

454
中间相炭微球在锂离子电池负极材料的应用进展

作者(Author)：杜俊涛, 聂毅, 吕家贺, 马江凯, 郏慧娜, 张敏鑫, 孙一凯, 郑双双, 白璐

摘要：中间相炭微球（MCMB）具有良好锂离子扩散性、导电性和机械稳定性等优势，是目前应用广泛、综合性能优异的锂离子电池负极材料，但较低理论比容量是制约其发展的关键因素。为了获得性能优良的MCMB基锂离子电池负极材料，改性修饰和复合材料已然成为目前研发重点。笔者论述了碳结构、表界面和复合材料等微观结构设计对MCMB负极材料电化学性能的影响。从碳堆积结构类型、有序性、层间距以及球体粒径大小等方面，论述了碳结构微观设计对MCMB电化学性能的影响。发现具有乱层结构的MCMB在充放电过程中内部产生应力较小，且碳结构较稳定，具有优异循环稳定性；内部具有大量微孔或碳层间距较大的MCMB，在充放电过程中可提高锂离子在电极中的迁移速率，并提供更多的储锂空间，一般具有优良的充放电比容量和倍率性能；小粒径MCMB具有较短的锂离子迁移路径和随之增加的比表面积，通常具有较好倍率性能，伴随着可逆比容量和充放电效率的衰减。从表界面碳层改性、包覆和掺杂改性等方面，论述了表界面改性对MCMB电化学性能的影响。表面碳层修饰可增加MCMB与电解液的相容性及其比表面积，提高了与电解液的接触面积及贮锂容量，改善了锂离子电池负极材料的电化学性能；另外，MCMB表面包覆一层无定型碳，可避免其表面与电解液直接接触，减少电化学副反应的产生，提升其可逆比容量。从碳活性物质复合材料、非碳活性物质复合材料等方面，论述了复合材料微观结构设计对MCMB电化学性能的影响。碳活性物质可降低MCMB内部碳层结构的有序性，减少锂离子嵌入过程中的内部应力，提升MCMB循环稳定性。非碳活性物质诱导MCMB生成更加有序的碳层结构，提高MCMB的比表面积，从而改善MCMB表面与电解液分子的接触能力及其嵌锂性能，有利于提升MCMB负极材料可逆比容量、循环性能和倍率性能。MCMB具有高碳层间距和多缺陷位点等结构特征，有利于钠离子自由脱嵌，应用于钠离子电池时具有良好的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。MCMB的不规则定向层状结构经活化等处理具有较高比表面积，可应用于超级电容器电极材料。最后提出在高性能锂离子电池电极材料快速发展的需求下，从微观结构角度设计MCMB纳米复合材料将是MCMB负极材料的研究重点。

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洁净煤技术

2020年第01期

1848

511
Ni(OH)2与不同碳质材料复合制备超级电容器电极材料研究进展

作者(Author)：李双双, 秦志宏, 杨小芹, 陈强

摘要：超级电容器具有功率密度大、寿命长、生产成本低等优点，被认为是最有发展前途的储能系统之一。然而，超级电容器的低能量密度阻碍了其实际应用。由于存储的能量与CV2成正比,可以通过增加材料的电容“C”或操作电压窗口“V”或两者同时增加来提高超级电容器的能量密度。然而具有宽电位窗口的有机电解质离子往往电导率差，成本高，容易引起环境问题。因此为改善能量密度，应采用高比电容的电极材料，故而设计出具有高比电容的适合电极材料就成为研究热点。Ni(OH)2作为超级电容器电极材料，具有理论容量大、成本低、天然丰富、易于合成等优点，近年来备受关注。但由于Ni(OH)2导电率低、比表面积小，其容量劣化严重。碳质材料作为双电层超级电容器的电极材料，其能量存储机制取决于电极表面的电解质离子吸附和解离，具有导电率好、原料丰富、成本较低、电化学稳定性高等优点而应用广泛。因此，有必要将高导电碳质材料引入Ni(OH)2组成复合材料以提高电容性能。笔者综述了Ni(OH)2基材料的合成方法，特别是与碳质材料复合来提高Ni(OH)2基材料的循环稳定性和倍率性能方面的研究新进展。

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洁净煤技术

2020年第01期

672

439
变压吸附法提纯煤层气中甲烷研究进展

作者(Author)：张进华, 曲思建, 王鹏, 李雪飞, 李兰廷, 车永芳, 李小亮

摘要：低浓度煤层气直接排放既造成能源浪费，又带来严重的温室效应，变压吸附法提纯低浓度煤层气是解决煤层气排放的有效利用途径。总结了变压吸附技术对CH4/N2体系煤层气中CH4分离的研究进展，包括变压吸附分离机理和相应的变压吸附提纯工艺路线，分析了2种工艺的优缺点，讨论了多孔吸附材料，如活性炭、碳分子筛、沸石分子筛和金属有机骨架材料对CH4/N2吸附分离效果的研究进展和存在的问题。基于平衡效应分离的变压吸附技术，在CH4/N2体系分离实际应用中遇到瓶颈，原因在于现有吸附剂平衡分离系数太小，提浓幅度有限；其次，CH4在平衡效应里作为强吸附组分被优先吸附，产品气必须通过抽真空的方式解吸获得，必须采取多级压缩和增加置换步骤，因而能耗相对较高。基于动力学效应的分离，可在塔顶直接获得富集的带压产品气；同时免去多级压缩的能量消耗，相对平衡效应分离具有显著优势，但需要在第一级加压，处理接近爆炸限浓度煤层气有一定安全隐患。活性炭吸附容量大，处理能力强，价格低廉，是一种典型的平衡分离型吸附剂，但分离系数较低，存在气体循环量大、效率低，提浓幅度窄等缺点，如何通过孔径调控和表面改性提高活性炭的平衡分离系数将是今后研究的重点。现有报道效果较好的动力学吸附剂主要以碳分子筛为主，但价格高昂，工业推广受限，选择合适的廉价原料、改变现有间歇式生产工艺、进一步开发高效、廉价的动力学选择型吸附剂将是今后变压吸附分离CH4/N2的重要方向。沸石分子筛会优先吸附CH4，与动力学效应优先吸附N2相反，降低了分子筛对CH4/N2的分离选择性。所以硅铝分子筛/钛硅分子筛多在分离高浓度CH4含量的天然气、油田气方面表现优异，针对低浓度煤层气CH4的提纯应用较少，未见工业应用报道。金属有机骨架材料的出现提供了新的发展思路，但其在CH4/N2的吸附平衡和动力学研究以及变压吸附分离方面研究较少，还有待进一步深入研究，解决材料的稳定成型和放大仍是需要突破的技术瓶颈。未来变压吸附提纯工艺将是平衡效应和动力学效应的组合工艺，开发低压下变压吸附分离工艺将具有更好的经济性和安全性；低成本、大容量、高选择性吸附剂开发仍是未来吸附剂的重点发展方向；同时吸附剂寿命以及再生性能有待深入研究。

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洁净煤技术

2019年第06期

1000

357
新疆煤制饮用水处理用活性炭工艺及应用

作者(Author)：陆晓东, 雷清平, 王福平, 刘昆仑

摘要：新疆煤炭储量大,煤炭资源丰富,煤种多样化且具有灰分低、活性高等特性,是制备水处理用煤基活性炭的优质原料。以新疆主要矿区原煤为原料,采用配煤压块工艺制备活性炭,考察预氧化、炭化、活化等工艺条件及催化剂对活性炭性能的影响,优化饮用水处理用活性炭制备的工艺及主要参数,并表征了活性炭对TOC、CODMn 和UV254 的吸附能力。结果表明,灰分<5%、挥发分35%左右、水分3%~6%的新疆哈密煤、新疆宽沟按60∶40的比例配煤,添加含钾化合物催化剂,在250℃氧化 180~200min、530~560℃炭化150~180min、920~940℃活化,可制备出碘吸附值1200~1320 mg/g、亚甲蓝吸附值280~290mg/g、平均强度95%、装填密度470~485g/L的高效水处理活性炭, 基于新疆煤质生产的饮用水处理用煤基活性炭产品对水中TOC、COD、UV254 的去除率分别为38%、 42%、67%,表明新疆煤质生产的饮用水处理用煤基活性炭产品对水中有机物的吸附性能优于美国卡尔岗公司生产的F-400。

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洁净煤技术

2019年第04期

775

260
新型煤基微晶炭的制备及电容特性研究

作者(Author)：鲍倜傲, 王振帅, 马爱玲, 邢宝林, 张传祥, 侯磊, 袁绍辉, 赵晶, 郭梦瑶

摘要：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N2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d002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 m2/g、总孔容为0.527 cm3/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 (C2H5)4NBF4/PC为电解液的超级电容器中，表现出优异的电化学性能:50 mA/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 mA/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。

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洁净煤技术

2019年第03期

746

204
煤系腐植酸基层次孔炭的制备及电化学性能

作者(Author)：刘迎宾, 黄光许, 李媛媛, 张风梅, 王欠欠, 邢宝林, 张传祥, 谌伦建

摘要：为提高煤炭利用率，以煤系腐植酸为前驱体，KOH为活化剂，在较低碱炭比（≤1）和活化温度（700 ℃）条件下制备双电层电容器用炭电极材料。利用低温N2吸附对所制炭材料进行孔结构表征，采用恒流充放电、循环伏安和漏电流测试等手段评价其在3 mol/L KOH中的电化学性能。结果表明，所制炭材料呈现典型的层次阶梯孔径分布，孔径主要分布在0.5~5.0 nm，包括05~1.8 nm微孔和3.5~4.6 nm中孔；氧元素含量均超过20%。随着碱炭比升高，相应炭材料含氧量、比表面积、总孔容和微孔孔容逐渐升高，最高分别为26.67%、878 m2/g、0.66 cm3/g和0.407 cm3/g；中孔率先升高后降低，最高为62.1%。微孔主要是腐植酸在活化过程中挥发分析出和部分含氧官能团热解性成的，高的中孔率主要由于钾的扩孔作用。4种层次孔炭电极材料在3 mol/L KOH电解液中具有良好的充放电可逆性和典型的双电层电容特性，其质量比电容、比电容保持率最高分别达256 F/g、84%，漏电流≤0.015 mA。各炭材料具有合理的孔径分布，同时含有丰富的含氧官能团，有利于缩短电解质离子在电极材料内部的扩散路径和提高电极材料与电解液的润湿性，降低扩散阻力，是一种理想的双电层电容器用炭电极材料。

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洁净煤技术

2019年第01期

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