基于新疆煤基多孔碳材料的制备及其电化学性能研究

Coal resource is abundant and cheap in Xinjiang Uygur Autonomous Regions. How to effectively utilize these coals and produce modified carbon materials in cost-effectively controllable ways remains a big challenge for coal chemists and chemical engineering. This proposal aims to develop techniques for preparation of porous carbon materials directly from Xinjiang coals. For this purpose, the one-step strategy of making low-cost porous carbon materials from Xinjiang coals will explored in the view of structure optimization and product processing. To reveal the formation mechanism, elucidated the relation between the methods, morphology, stereo microstructure of porous carbon materials and the performance of electrochemical properties will discussed in detail. Also the technologies for effectively producing porous carbon materials from coal will develop and evaluate. This project can not only realize the produce of carbon materials in structure optimization, but also can eventually provide a new thinking and practice in view of enhancement on the electrochemical performance of carbon materials based on Xinjiang coal. Meanwhile the results which will be full of an important academic value and application prospect would benefit the development of carbon materials and be helpful to the economy of Xinjiang Uygur Autonomous Regions.

本项目围绕新疆煤的高附加值加工利用，以新疆丰富的煤为碳源，采用预氧化活化一步法制备多孔碳材料并研究其作为超级电容器电极材料的使用性能。从结构调控的角度出发，研究一步法高比表面多孔活性碳的形成规律特点，探索多孔碳的比表面积、孔结构与制备工艺间的相互关系，总结并建立简单易行、低成本制备高性能多孔碳材料的技术方法和调控手段，揭示新疆煤的制备工艺方法和参数等对目标产物的结构、比表面积的影响，以及目标产物微结构和表面性质对电极材料电化学性能的影响规律。该项目的开展，将为低成本，高性能煤基炭素材料的定向推广应用奠定坚实的科学基础，成果将丰富和发展炭素材料特别是煤基炭素材料的内涵，对促进新疆煤高附加值利用以及促进新能源超级电容器在新疆的发展提供理论和实践基础。

煤炭消费占中国一次能源消费比例接近70%。然而，中国煤炭行业一直存在过度开采、低效利用的现象，这加剧了能源紧缺的严峻局势。对煤炭进行进一步深加工，不仅可以增加煤炭利用的附加值，还可以在一定程上缓解煤炭作为燃料带来的高度污染。新疆的煤炭储量约占全国煤炭资源的40%，并且开发成本低廉，因此，以煤为来源制备多孔碳材料在新疆地区正日益成为研究热点。.针对新疆煤的深度开发利用，我们优选了含碳量较高、灰分、挥发相对较少的煤源作为制备活性碳的原料，采用化学活化法开展了煤基多孔碳材料的制备及电化学电容性能的研究。首先，研究了预氧化活化一步法制备煤基多孔活性碳材料过程及工艺特点：不同活化剂、碱碳比、热处理方式等对所制备煤基碳材料的结构性能的影响；通过对活化剂与煤粉原料的比例进行系列调整，筛选出适合扩大化生产活性碳的比例；同时通过实验得出最佳热处理条件；利用XRD、SEM、BET等分析技术手段研究了所制备煤基碳材料的结构与形貌特征；并利用循环伏安、充放电及阻抗测试系统对所制备煤基碳材料进行电化学行为的测试。通过对实验数据的分析，提出了优化的制备工艺条件，总结出材料结构与性能间的构效影响关系：碳材料的比电容值并非随着比表面积的增加而提高，具备多级孔道结构并且拥有适宜有效比表面积的煤基碳材料能够表现出优良的电化学电容行为，合理有利的煤基碳材料孔结构可以通过制备工艺的优化调整而得到有效控制。