《洁净煤技术》“碳材料新技术”虚拟专题（一）｜虚拟专题

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《洁净煤技术》“碳材料新技术”虚拟专题（一）｜虚拟专题

来源：洁净煤技术

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行业视野: 洁净煤技术
类别; 118个
关键词; 160位
专家; 26篇
论文; 8950IP
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Ni-MOF衍生NiS2@CNTs电极材料构建及其电化学性能

作者(Author)：王双, 赵佳辉, 王淼, 曲伟强, 王建成, 米杰, 裴晋平, 冯宇

摘要：改善过渡金属硫化物导电性和循环稳定性是提升超级电容器性能的关键。以二氰二胺和升华硫分别为碳源和硫源,将Ni-MOF前驱体进行碳化和硫化后构筑了二硫化镍纳米颗粒与碳纳米管的复合材料(NiS2@CNTs)。分析表明,碳化样品与升华硫的比例为1∶6时,制得的NiS2@CNTs复合材料具有较大的比表面积,且其中的NiS2纳米颗粒和碳纳米管呈现高分散性,可为电化学储能过程提供丰富的反应活性位点、快速的离子扩散和较强的电子传输效率。电化学性能测试表明,NiS2@CNTs电极在0.5A/g时的比电容可达568.0F/g。以NiS2@CNTs和活性炭(AC)分别为正负极组装NiS2@CNTs//AC器件,其最大输出能量密度和功率密度达15.6和3207.0W/kg,经过5000次充放电循环后的电容保持率和库伦效率分别为98.1%和99.7%,表明该电极材料有望实现长期循环利用且具有良好的实际应用前景。

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2024年第02期

311

117
煤焦油衍生模板碳孔隙重整及高体积电容性能

作者(Author)：吴东阳, 孙飞, 范为, 王坤芳, 张博然, 赵广播

摘要：各类储能器件中,超级电容器因其功率密度高、充放电速度超快、循环寿命长等优点,是电化学储能技术的重要发展方向。其中,多孔碳电极是超级电容的核心材料。然而,传统多孔碳电极材料重点关注高孔隙率和高比面积的实现,从而导致疏松的碳骨架结构,使材料密度降低,进一步限制了超级电容器的体积性能。因此,具有合理孔隙结构和致密骨架的碳电极材料是提升双电层电容器体积性能的关键。以低成本煤焦油为碳源,对基于相转变过程制备的不同模板材料进行包覆后碳化,获得具有致密多孔结构的碳纳米片PCS。该材料中优化的分级孔结构降低了多余的中/大孔占比,使其具有高堆积密度(0.64g/cm3),可同时实现优异的质量和体积比电容性能。在水系双电层电容器中,制备的PCS电极在低质量负载2mg/cm2时可以获得277F/cm3的高体积比电容;在高质量负载8mg/cm2时,体积比电容仍保持244F/cm3,且最大体积能量密度和功率密度分别为8.46Wh/L和10.9kW/L。此外,双电层对称电容器也表现出优异的循环稳定性(超过4万次循环),证明了PCS在双电层电容器高密度储能方面的应用潜力。

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2024年第02期

231

110
生物质平台化合物催化转化制备芳香多元羧酸研究进展

作者(Author)：呼延成, 张文静, 曹景沛

摘要：芳香多元羧酸,如对苯二甲酸、邻苯二甲酸、偏苯三甲酸、均苯三甲酸、均苯四甲酸等是重要的大宗化学品,可以制备各种聚合物材料,在日常生活的各个领域应用广泛。工业上,这些芳香多元羧酸是以石油基衍生的芳香烃为原料进行高温高压催化氧化获得。在双碳背景下,开发利用可再生生物质替代传统化石能源生产芳香多元羧酸具有重要的现实意义。生物质转化过程是首先在化学或生物催化下,将生物质降解到一系列C1~C6的平台化合物,然后再通过这些化合物之间的耦合转化制备工业化学品。详细总结了生物质平台化合物催化转化制备芳香多元羧酸的研究进展。这些工作的创新点是开拓新的生物质基合成工艺来生产芳香多元羧酸,关键挑战步骤是芳环的构建。针对该难点,成功开发了两种策略:①呋喃类分子与烯烃的Diels-Alder反应与后续脱水芳构化反应;②醇脱水生成共轭二烯烃,再与烯烃进行Diels-Alder反应以及后续的脱氢芳构化反应。按所生产芳香多元羧酸的种类进行分类,包括对苯二甲酸、苯酐/邻苯二甲酸、苯三甲酸以及均苯四甲酸。研究为生物质催化转化新体系的研发与工艺过程优化提供借鉴。

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2024年第01期

371

184
沥青基碳纤维的制备工艺、反应机理及调控方法

作者(Author)：刘金昌, 严作贤, 王欣雨, 解强, 梁鼎成

摘要：沥青基碳纤维是重要的工程碳纤维之一,在航空航天、国防军工等领域具有广泛应用。沥青基碳纤维制备流程长、影响因素多,归咎于对其制备工艺、反应机理及调控方法的认识不足,迄今工业化生产强度性能优异的沥青基碳纤维仍面临诸多困难。以碳纤维生产流程为主线,针对原料预处理、沥青前驱体调制、熔融纺丝、预氧化及炭化与石墨化的现状、方法、机理及调控进行深入探讨分析。沥青基碳纤维的原料有煤系、石油系、生物质系、高分子系和纯化合物,原料预处理方法主要有蒸馏和萃取;沥青前驱体的调制本质是以氢转移反应和自由基反应并行的液相炭化反应,包括环化、芳构化、低聚和缩聚等复杂的反应过程。芳烃低聚物在高温下缩聚形成稠环芳烃片状大分子的基本结构单元,基本结构单元经过热运动不断聚集,形成聚集体;由于范德华力作用使基本结构单元相互堆叠,形成平行堆积体,进而通过层积、堆积等过程形成基本构筑单元聚集体。基本构筑单元聚集体在不同反应条件下可以转变为长程无序、短程有序的难石墨化结构,也可以转变为长程有序、短程有序的易石墨化结构。以煤系、石油系和生物质系物质为原料调制沥青前驱体时,因其反应活性好,通常选用设备简单、操作容易、成本低廉的热缩聚法;而当以萘、甲基萘等纯化合物为原料时,因其反应活性差,需要较高的温度才能引发自由基反应,故通常采用催化合成法。熔融纺丝宏观上起到塑型的作用,通过改变纺丝参数和喷丝板的形状分别可以调节碳纤维的直径和形状;此外,熔融纺丝对中间相沥青前驱体的重排分子作用尤为明显,使得石墨微晶更易沿轴向一维排列形成有序的石墨晶体结构。为使沥青纤维在炭化过程中不发生融化,需要将沥青纤维由热塑性转变为热固性,即通过轻微的氧化反应,让沥青中的稠环芳烃分子经历氧化、缩合、分解和脱水,从而形成特定的交联结构,最终在纤维结构中生成一定量的含氧官能团。炭化是使预氧化后的纤维经过复杂的化学反应和结构转变形成具有炭材料分子结构特征的碳纤维。炭化过程中,石墨微晶发生重排,非碳原子被移除,碳元素含量进一步升高;经过石墨化后,石墨晶体结构更加完整、取向度更高,使碳纤维向石墨纤维转变,强度性能更加优异。另外,针对沥青基碳纤维的突破方向,提出了从分子维度定向可控制备的思路;并为碳纤维生产过程中耗时耗能的预氧化步骤的优化改进提供了具体方法。

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2024年第01期

465

166
藤蔓结构NiCo-MOF@CNTs复合电极材料制备及性能

作者(Author)：任国行, 顾波, 杨小芹, 彭晓雪, 魏金雨, 贾嘉, 林喆, 秦志宏

摘要：超级电容器是一种高性能电化学储能装置,具有功率密度高、循环稳定性强、充放电速率快等特点,在可再生能源存储中发挥重要作用。为提高超级电容器性能,满足日益增长的能源储存需求,利用水热法制备NiCo-MOF@CNTs复合电极材料,通过改变碳纳米管(CNTs)添加量,使复合材料储能特性达到最优。CNTs不仅增加了材料的比表面积和导电性,还与NiCo-MOF形成独特的藤蔓结构,其中NiCo-MOF构成藤蔓的叶片,为电荷存储提供活性位点,而CNTs构成与叶片相连接的茎蔓,将电子源源不断传递至活性中心,改善电化学性能。与未添加CNTs相比,效果最好的NiCo-MOF@CNTs5的比表面积由25.65m2/g增至44.27m2/g,平均孔径由37.86nm降至18.99nm,孔径分布更有利于电解质离子的扩散与传输;在1A/g电流密度下,比电容高达1569F/g,电流密度增至20A/g时,倍率性能高达74%,高于未加入CNTs的NiCo-MOF电极材料(42.6%)。组装成非对称超级电容器后,在1A/g电流密度下比电容为194F/g,电流密度增至20A/g时比电容仍有147F/g;在5A/g电流密度下经5000次充放电循环后,比电容保有率91.2%;在759W/kg功率密度下的能量密度高达50.63Wh/kg,功率密度提至17.3kW/kg仍能实现41.94Wh/kg高能量密度。

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2024年第01期

270

110
超纯无烟煤导电性影响因素

作者(Author)：宋树磊, 阎善文, 许轩, 陈增强, 刘红旗

摘要：为研究无烟煤自身的导电特性,提高其导电性能,使无烟煤成为填料和电极材料的一部分,采用酸溶法制备了灰分0.13%的超纯无烟煤,采用粉末电阻率仪探索了含水率、灰分、压强、粒度及矿物质成分对超纯无烟煤导电性的影响规律。结果表明,无烟煤电导率随含水率和压强的升高呈上升趋势。随灰分降低电导率逐渐升高。灰分低于1.0%时,电导率随灰分降低而急剧升高。压强4.00MPa、含水率6.21%、粒度0.2~0.1mm,灰分降至0.13%时,无烟煤导电性最佳,其电导率为1.44×10-7S/cm。研究范围内,粒度对无烟煤电导率影响较小。煤中常见矿物质的电导率顺序为:黄铁矿>高岭石>二氧化硅>碳酸钙>硫酸钙;黄铁矿电导率最高,达1.32×10-2S/cm。无烟煤电导率随黄铁矿含量增加呈升高趋势,而随其他矿物质含量增加呈降低趋势。采用响应曲面模型优化正交试验结果,获得了无烟煤电导率与含水率、灰分及粒度之间的二次回归方程。含水率和灰分对无烟煤电导率测试结果的影响显著,其中灰分对电导率的影响程度最大,含水率次之,粒度最小。

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洁净煤技术

2024年第01期

424

126
沥青基多孔炭材料制备及其双电层储能性能

作者(Author)：岳晓明, 刘天龙, 赵子涵, 安兆阳, 罗鹏

摘要：多孔炭作为超级电容器电极的主要材料,具有导电性好、化学稳定性高、工作温度范围广等优点。以内蒙古煤沥青(CTP)为原料,分别以K2CO3和KOH为活化剂,通过化学活化法制备多孔炭材料,优化制备工艺并比较2种活化剂制备的多孔炭在结构和电化学性能方面的差异。结果表明,K2CO3活化和KOH活化最佳制备条件均为活化温度700℃、活化时间60min、活化剂与CTP质量比为2∶1。2种活化剂制备的多孔炭在微观结构上有很大差异,KOH活化所得多孔炭(PH-T700)表面平整光滑并分布大量规则的圆孔,而K2CO3活化所得多孔炭(PC-T700)内部呈层叠交错的珊瑚状结构。与PH-T700相比,PC-T700具有更多中孔,离子扩散阻力更小。在1A/g电流密度下,PC-T700和PH-T700的比电容量分别为252.90和261.02F/g,PC-T700和PH-T700组装成纽扣型对称电容器,0.5A/g时比电容量分别为226.01和225.51F/g,且PC-T700表现出更优秀的倍率性能和循环稳定性。5000次充放电后,PC-T700和PH-T700的比电容量分别为初始值的103.77%和98.20%。输出功率达1038.46W/kg时,PC-T700能量密度仍保持7.5Wh/kg,实际使用价值高于PH-T700。

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洁净煤技术

2024年第01期

328

142
碳基固体氧化物燃料电池研究进展

作者(Author)：张伟, 魏嘉璐, JOSÉAntonioAlonso, 孙春文

摘要：随着人们对绿色能源和环境友好型社会需求的日益增长,先进能量转换装置或系统的研发亟待加速,而燃料电池系统被认为是最有希望的未来发电装置。在不同种类的燃料电池中,固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种清洁环保的发电装置,因其独特的多燃料运行能力及能量转化效率高等优点而前景广阔。然而,传统使用镍-金属陶瓷阳极的SOFCs,在碳氢化合物燃料下运行时,由于燃料的不完全氧化会使阳极产生积碳,从而导致电池性能下降。讨论了碳基SOFC中碳沉积机理和解决阳极积碳的策略,重点介绍了目前广泛研究的具有混合离子-电子导体的双金属-金属陶瓷材料的种类以及研究进展,并总结了双金属-金属陶瓷材料的抗积碳机理,主要表现为降低阳极表面的碳沉积速率以及加速积碳的去除。还介绍了在还原性气氛中,钙钛矿材料中纳米粒子原位偏析的原理,并讨论了原位偏析所形成的纳米颗粒以及其与钙钛矿主体所形成的金属氧化物异质结构在抗积碳阳极中的应用。此外,还探究了多层阳极和单原子催化剂阳极在中温SOFCs中的应用。在燃料电池技术巨大进步的推动下,人们对可用于固定式发电的集成煤气化的燃料电池发电系统(IGFCs)产生了新的兴趣,该系统对于实现煤炭的清洁高效利用具有重要意义,该技术的关键依托于SOFCs的成熟度。最后,总结并指出了碳基SOFCs未来的一些研究方向。

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2024年第01期

506

206