富氧化煤系重质有机物制备硫氮共掺杂多孔电极碳的研究

Properties of porous carbon material are closely related to its surface chemical state.It is an important strategy to tailor the properties surface chemistry and physical of porous carbon material by doping heteroatoms into carbon frameworks..In this propostion, sulfur and nitrogen co-doped porous carbon material will be prepare by a facile approach using the coal-based heavy organics as carbon precursor, the thiourea or thiocyanate as sulfur and nitrogen sources. The basic procedure for preparing sulfur and nitrogen co-doped porous carbon material are as follows: Coal-based heavy organics are pretreated by the plasma technology or mechanical force approach, and then blended with thiourea or thiocyanate. Resulting mixture are carbonized and/or activated.The generation, development of oxgen-groups and sulfur-, nitrogen-containing groups during the heat treatment and carbonization/activation process will be investigated in detail for establish of corresponding relationship between synthesis, structure and properties.To carry out this work, The research of controling the surface chemistry of sulfur and nitrogen co-doped porous carbon for carbon materials provides an important theoretical and practical data as the application of new energy materials,meanwhile utilization for coal heavy organics provides a high-value new ideas.

多孔炭的性质与其表面化学状态密切相关，通过杂原子掺杂对多孔碳的表面化学性质进行调控实现其物性剪裁已经成为近年多孔炭材料研究领域的热点。本课题拟以煤系重质有机物为原料，通过电弧/微波等离子或机械力化学技术进行富氧化处理，所得的富氧前体与硫脲或三聚硫氰酸共混、炭化/活化制备硫氮共掺杂多孔炭电极材料。研究富氧化、炭化和活化过程中含氧基团、硫氮杂原子基团的生成、演化规律及不同基团之间的相互制约/促进的关系；建立合成技术、结构与性能之间的规律性关系。为多孔炭的表面化学结构控制以及其定向合成奠定理论和实践的基础，为煤系重质有机物作为高品位多孔炭的利用提供一条新思路。

多孔碳由于具有原料来源广，物理和化学性质优异等特点，被广泛用于气液分离、催化剂载体、新能源电极材料等诸多领域。影响多孔碳性能的主要因素有孔隙结构和表面化学性质，寻找适宜的碳源，深入认识其制备过程中结构和表面化学氛围的变化，对于定向控制产品的结构，进而实现其高效利用具有重要的理论和实际意义。 .本项目以高碳含量的煤系重质有机物为原料，经由富氧化处理制备高性能的杂原子（硫氮）掺杂多孔碳。研究了煤系重质有机物在富氧化处理及杂原子掺杂过程中表面基团的生成及演化规律，研究了碳化过程中掺杂对产品碳的结构和表面化学性质的影响，研究了不同孔道结构和表面化学性质的氮/硫掺杂碳材料与其电化学性质之间的关系。结果表明，煤系重质有机物的富氧化处理是调变其产品碳表面化学态的重要手段，原料表面富氧有利于杂原子的有效掺杂，高氧含量有利于实现氮、硫的高浓度掺杂，并氧的存在具有一定的固氮/硫的作用。原料中杂原子之间在成碳热加工过程中存在相互制约和促进的关系，杂原子的存在影响成碳过程的热解缩聚，进而影响产品的孔道结构，与氮相比、硫的掺杂更容易引起碳层间距增大和缺陷位增多；同时，由于碳骨架中引入杂原子，使得碳层中石墨微晶平面层产生诸多位错、弯曲、离位等具有不成对电子的缺陷位，改变了晶格中碳原子的电子结构和表面电子态密度，杂原子的存在形成局部的表面官能团，改变了碳材料表面化学性质。含杂原子的表面基团的形成及演化与前驱体的结构与组成、热处理条件等诸多因素相关，未掺杂、单一氮、硫掺杂及硫氮共掺杂对电化学性质的影响研究显示，吡咯氮/硫、吡啶氮/硫可以提升材料的电化学性质，氮硫共掺杂具有协同作用。因此通过调控原料的富氧化处理程度可以控制产品碳的孔结构和表面化学态，以满足不同应用领域对材料性能的要求。