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山西煤化所在低值煤沥青构筑高性能电容炭方面取得系列进展

  焦化行业产生大量低值的煤沥青副产品,如何使其高附加值化一直是各方关注的焦点,利用其灰分低、残炭率高等特点而制备的多孔电极炭,可用于电化学储能等新兴能源领域。然而煤沥青高温成炭过程中需经历液相炭化,故对其微观形貌和孔隙结构的调控极其困难,加之稠环分子的反应惰性又使其炭产品表面化学性质难以裁剪。

  近年来,中国科学院山西煤炭化学研究所702课题组研究员李开喜及其带领的科研团队,通过对沥青分子精准设计,无模板构筑了一系列纳米结构电极材料(图1),组装了高性能柔性全固态电容器和非对称电容器,实现其能量密度和循环稳定性的显著提升,且交联自组装策略还成功应用于沥青基球状活性炭生产线上,取得了基础和应用双突破

  对煤沥青组成的精细化认识是其高效利用的前提,通过构建合适的溶剂体系将其切割为组成结构相近的各族组成,依据沥青中喹啉可溶物族组分的分子特点,经磺化改性和常规活化后构筑了面向全固态的超级电容器应用的纳米层状炭(Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5(30):15869-15878;Fuel, 2019, 242: 184-194)。随后,基于轻质族组分自发泡原理,实现蜂窝状多孔炭形貌和中孔比例的调控,显著增益其内部电解液传质和表界面活性位点暴露效果(ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 7(2): 2116-2126)。为精准调控稠环分子间距,采用氧化交联的方法接枝大量悬键,并以此为“抓手”促进分子可控自组装,实现纳米层状炭微观形貌和2~5 nm孔隙结构的同步控制,进一步提高其电化学储能性质(Journal of Power Sources, 2019: 227446)。鉴于表面化学性质的定向设计和优化可有效改善炭材料电子特性和化学性质(ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(14): 13214-13224),通过自由基诱导沥青分子聚合以及在炭骨架结构中掺杂异原子,制备了N/S功能化堆叠式炭纳米片(图2)。组装的非对称全固态超级电容器在电流密度1A g-1时比电容为458 F g-1,其体积能量密度可达27 Wh L-1,功率密度为296 W L-1,在2万次循环后容量衰减率仅为5.9%(图3),非常适合狭窄空间应用场景(Energy Storage Materials, 2020, 26: 119-128)。

  以上工作提出的煤沥青基纳米多孔炭材料的构筑策略,为探索大规模电化学储能电极材料的低成本制备开辟了新的视野,并得到国家自然科学-山西省低碳联合重点基金、山西省自然科学基金和山西省煤基重点科技攻关项目的支持。

山西煤化所在低值煤沥青构筑高性能电容炭方面取得系列进展 环保科技 第1张
图1 从煤沥青出发制备高性能电容炭示意图

山西煤化所在低值煤沥青构筑高性能电容炭方面取得系列进展 环保科技 第2张
图2 层堆叠纳米炭材料微观形貌和表面元素XPS、mapping分析

山西煤化所在低值煤沥青构筑高性能电容炭方面取得系列进展 环保科技 第3张
图3 电化学性能表征

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