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主办单位：煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会
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“煤基先进功能碳材料”专题

来源：洁净煤技术

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环境保护

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  • 煤基功能炭材料的制备及应用

    作者(Author)： 冯士展, 冷昌宇, 王鲁香, 龚新一, 徐梦姣, 郭楠楠, 艾礼莉, 张青

    摘要：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。
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    洁净煤技术
    2023年第02期
    865
    512
  • 针状焦研究新进展:从原料到制备方法

    作者(Author)： 郑先康, 秦志宏, 杨小芹, 林喆

    摘要：针状焦作为煤炭和石油工业的高附加值产品，是生产超高功率石墨电极的必备原料，需求与日俱增。由于对针状焦生产过程的认识不够深入，国内尚未做到大规模生产高质量针状焦。近年来，研究转向通过各种方式对原料进行改性，以扩大原料选取范围，改善原料性质，从而生产优质针状焦。综述了原料中不同成分和结构对针状焦制备过程的作用与影响，总结了针状焦生产所需的原料性质与组成要求。好的原料应具有低喹啉不溶物、低杂原子含量和高芳香族含量，反应性适中。通过原料预处理可有效改善原料组成，去除对中间相形成有害的组分。多种原料预处理方法组合使用效果好于单一预处理方法，提前热处理可以减少小分子化合物对后续反应的影响。共炭化方法是最常用的制备方法之一，在3类共炭化剂中，引导成核剂可以在中间相小球体形成过程中起晶核作用，促进中间相的形成，但也可能会引入无法被同化的杂质；缩聚催化剂可以大大缩短反应所需时间，但不利于控制反应稳定有序进行，且难以将催化剂从产品中去除；原料改性剂可以通过优化原料组成的方式改善针状焦产品性能的同时降低产品成本，是工业生产中最具有使用前景的共炭化方法。由萃取反萃取法分离获得的煤密中质组(DMC)是炼焦煤生成中间相小球体的源质，作为一种全新的原料，具有低灰分、低喹啉不溶物含量、高氢碳比等诸多优点，且无需经过预处理过程，是制备针状焦的优质原料，其制备出的中间相与针状焦均具有优良的性能。
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    洁净煤技术
    2023年第02期
    741
    435
  • 褐煤基活性炭制备研究进展

    作者(Author)： 董子龙, 吴镇伸, 李梦珂, 黄亚杰, 陈俊民, 李立欣, 杨巧文, 刘云夫, 吴捷, 解丽萍

    摘要：褐煤资源丰富，价格低廉，褐煤孔隙较多，官能团丰富，酚羟基为主，具有反应活性高，活化时间短等特点，基于褐煤性质的优势，褐煤制备活性炭备受关注。褐煤基活性炭广泛应用于工业气体净化、废水处理、煤基电极和超级电容器。由于褐煤发热量低，污染物排放高，因此褐煤制备高附加值活性炭应用具有重要意义。活性炭孔结构、比表面积和孔径分布是制约褐煤基活性炭发展的关键。为增强活性炭的吸附能力采用不同制备方法调控孔结构。综述了褐煤性质和褐煤基活性炭性质的主要影响因素，包括原料、配煤、褐煤成型条件。总结了褐煤制备活性炭的方法包括化学法（盐酸、磷酸、氢氧化钾）、物理法（水蒸气、二氧化碳和烟道气）和物理化学法（化学气体联合活化和微波辅助化学活化），阐述了不同制备方法的褐煤活性炭机理。针对褐煤活性炭制备方法存在的问题进行展望。
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    洁净煤技术
    2023年第02期
    823
    292
  • 煤基碳点及其复合物的调制与催化应用

    作者(Author)： 蔡婷婷, 胡胜亮

    摘要：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。
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    洁净煤技术
    2023年第02期
    653
    236
  • 2种高温沥青结构表征及热解特性

    作者(Author)： 周星苗, 杨桃, 宋燕, 刘占军

    摘要：采用族组分分析、元素分析、红外光谱（FT-IR）、核磁共振（NMR）、凝胶渗透色谱（GPC）等分析表征手段对神华煤液化沥青（CLP，软化点为403.15 K）和永东煤焦油沥青（CTP，软化点为383.65 K）进行了结构解析，结合计算的平均分子结构参数得到2种沥青可溶组分的平均分子结构模型；通过热重（TG）分析2种沥青的热解特性,并利用Coats-Redfern和DAEM两种动力学模型对其进行热解动力学计算。结果表明：与CTP相比，CLP的芳香性较差、缩合程度较低。2种沥青的热解过程分为3个阶段，主要热解阶段在473.15～873.15 K。其中CLP因其分子量分布较窄且分子结构缩合程度较小有较集中剧烈的热解过程；CLP的热解产物释放特性指数RH较大。由Coats-Redfern法计算的煤液化沥青和煤焦油沥青的平均活化能分别为35.03和37.98 kJ/mol；DAEM模型中，随转化率α增大，2种沥青的活化能呈增长趋势，α>0.5，活化能增加明显；从C-R模型和DAEM模型的拟合系数R2可知，2种模型对煤焦油沥青的热解过程适用性更好。
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    洁净煤技术
    2023年第02期
    652
    374
  • 改性沥青基硬碳材料的可控制备及其储钠性能

    作者(Author)： 陈涛, 吴吉昊, 车晓刚, 刘思宇, 韩兴华, 郑易庭, 杨卷

    摘要：钠离子电池（SIBs）用碳负极材料的可控制备与结构优化是电化学储能领域研究的热点方向之一。以煤化学工业副产物煤沥青为原料，通过对苯二甲醇化学交联表面改性辅以高温碳化处理，成功制备了改性沥青基硬碳材料，并用于SIBs负极。SEM、TEM、氮气吸脱附测试等表征结果证实，煤沥青的化学交联改性能够有效减缓其高温石墨化进程，进一步增大层间距（0.373 nm）和碳层的无序度，同时获得的硬碳材料颗粒尺寸由15 μm减小至约2 μm。电化学测试结果表明，所制备的改性沥青基硬碳材料（HC-1300）首次库伦效率高达80.1%，在电流密度为0.1 A/g时，其比容量为232.2 mAh/g，明显优于直接碳化获得的样品（DC-1300）。此外，在5 A/g高电流密度下，HC-1300样品的比容量为171.1 mAh/g，且经1 500圈充放电循环后容量保持率为74.9%，展现出良好的倍率性能和循环稳定性。
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    洁净煤技术
    2023年第02期
    840
    393
  • KHCO3一步活化法制备高含氧量褐煤基超级电容器多孔炭球

    作者(Author)： 杨志慧, 曹景沛, 庄奇琪, 吴燕, 赵小燕

    摘要：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。
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    洁净煤技术
    2023年第02期
    592
    387
  • 烟煤变质程度对焦耳热闪蒸多孔碳孔隙和晶体结构的影响

    作者(Author)： 吴俊晨, 张文军, 朱荣涛, 卢皓植, 孙杨, 王亚俊

    摘要：以不同变质程度的烟煤为原料，K2CO3为活化剂，采用焦耳热闪蒸法在不同电压下制备了多孔碳。通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）、低温氮气吸附、拉曼光谱等表征手段考察了烟煤变质程度以及闪蒸电压对多孔碳的孔隙特征及晶体结构的影响。结果表明：焦耳热闪蒸方法产生的瞬间高温在有限空间内产生的压力效应和热膨胀效应是孔隙形成和扩展的驱动力；低变质程度的朔州煤在碱碳比3∶1，闪蒸电压80 V时，制备的多孔碳的比表面积为601.95 m2/g、总孔容为0.44 cm2/g，孔隙结构最发达；高变质程度的长治煤在碱碳比3∶1，闪蒸电压160 V时，制备的多孔碳的石墨化程度最高。
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    洁净煤技术
    2023年第02期
    471
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