由重質煤基衍生物合成摻氮中孔炭及其作為電容器電極材料的研究

以重質煤基衍生物瀝青質作為炭化聚合物，乙基纖維素為熱解聚合物，胺類化合物為氮源，採用化學共混聚合炭化法，控制合成超級電容器電極用摻氮中孔炭材料。利用紅外、紫外、核磁共振、XPS等手段，跟蹤研究合成過程，系統研究共混物之間的相互作用以及產物的表面性能，利用HRTEM、SEM、XRD、物理吸附儀等手段研究炭化過程樣品的結構變化，探索在共混聚合炭化過程中炭材料的形成機制、化學反應特點，總結由重質煤基衍生物瀝青質製備用於超級電容器電極材料的摻氮多孔炭的一般規律，開發一條簡單易行的低成本可控合成具有高比表面積摻氮多孔炭材料的技術。針對水系電解質體系研究產品炭材料作為電化學電容器電極材料的特點，揭示不同孔結構及表面性能電極材料存儲電荷能力的行為。項目的開展將為重質碳資源的高效合理利用以及促進新能源技術超級電容器的發展提供理論和實踐的基礎。

重質煤系衍生物富含縮合芳環、雜環組分，其高效合理利用一直是煤轉化為潔淨能源過程中存在的瓶頸問題。利用其組成、結構特點製備高性能炭材料,是高效利用重質碳資源、提升煤炭轉化技術經濟性的重要內容。炭材料以其性能與價廉優勢，最早也是截至目前工業化最為成功的電化學電容器電極材料。隨着新能源技術的發展,對電容器電極材料的要求越來越高,要求其具有高能量密度同時具有高功率密度。為此人們嘗試各種手段來改善電極材料的性能，其中通過雜原子摻雜來提高炭電極材料性能被廣為關注。在炭基體中摻雜氮是顯著提高其電容量的有效方法，但通常氮源本身易熱解，如何摻氮、摻氮量及雜原子形態的控制是難點。本項目為煤系重質物的高附加值利用提供了一條新途徑，為摻氮多孔炭及在超電中的應用提供了重要的理論和實驗基礎。 本項目開發了由重質煤基衍生物製備氮摻雜多孔炭材料技術，主要工作包括：（1）系統研究了氮摻雜多孔炭的合成工藝與條件，原料組成、結構與最終產物的結構、性質間的聯繫；（2）研究了電解質與電極孔尺寸、結構及表面性能之間的關係；（3）揭示基於重質煤瀝青質的摻氮多孔炭作為超級電容器電極材料的特點。 主要結論： 以煤系瀝青質為碳源，合成了孔容、比表面積和孔分佈相近但孔道曲折度不同多孔炭，研究了電解質離子在不同孔結構內的遷移規律，證明了二維六方孔道有利於電解質離子傳輸，三維雙連續孔道有利於存儲容量。利用不同造孔方式研究了材料表面性質和孔結構的變化，模板法可以通過模板尺寸和量控制多孔炭的孔尺寸及丰度；化學活化法可以得到微孔豐富的高比表多孔炭，KOH對富氮前體中的氮具有較強的選擇性刻蝕，產物中氮原子主要以類吡咯氮或羥基吡啶氮存在；物理活化時活化劑對富氮前體中氮的刻蝕顯著弱於KOH，對氮原子沒有明顯的選擇性刻蝕，所得氮摻雜多孔碳中氮原子主要為類吡啶氮和石墨型氮，與活化劑的種類和活化時間無關。前驅體表面含氧官能團的存在有助於固氮。 ^[1]