由重质煤基衍生物合成掺氮中孔炭及其作为电容器电极材料的研究

Nitrogen-doped mesoporous carbon materials are proposed to be controllable synthesized by polymer blend carbonization method using heavy carbon components from coal as carbonizing polymer, ethyecellulose as pyrolyzing polymer, and amine compounds as nitrogen source. The interaction between the carbonizing polymer and pyrolyzing polymer during the heating process is planning to be detected using FI-IR, UV, NMR and XPS. And then HRTEM, SEM, XRD and nitrogen sorption techniques are used to investigate the pore structures of the as-made carbon materials. Based on the research results, the feasibility of synthesizing nitrogen-doped porous carbon materials from heavy carbon components from coal will be verified, and a new low-cost method for controllable synthesis of nitrogen-doped porous carbon materials with high surface area will be developed. Furthermore, in order to better understanding the ion transfer behavior in nitrogen-doped mesoporous carbon materials with different pore structures and surface functional groups, the electrochemical performance of the as-made materials in aqueous electrolyte will be tested with three-electrode system. There is no doubt that this program could pave a new way for the preparation of novel carbon materials from heavy carbon resource and for the effective utilization of heavy carbon from coal, which will also be an important way for the development of electrode materials for supercapacitors.

以重质煤基衍生物沥青质作为炭化聚合物，乙基纤维素为热解聚合物，胺类化合物为氮源，采用化学共混聚合炭化法，控制合成超级电容器电极用掺氮中孔炭材料。利用红外、紫外、核磁共振、XPS等手段，跟踪研究合成过程，系统研究共混物之间的相互作用以及产物的表面性能，利用HRTEM、SEM、XRD、物理吸附仪等手段研究炭化过程样品的结构变化，探索在共混聚合炭化过程中炭材料的形成机制、化学反应特点，总结由重质煤基衍生物沥青质制备用于超级电容器电极材料的掺氮多孔炭的一般规律，开发一条简单易行的低成本可控合成具有高比表面积掺氮多孔炭材料的技术。针对水系电解质体系研究产品炭材料作为电化学电容器电极材料的特点，揭示不同孔结构及表面性能电极材料存储电荷能力的行为。项目的开展将为重质碳资源的高效合理利用以及促进新能源技术超级电容器的发展提供理论和实践的基础。

重质煤系衍生物富含缩合芳环、杂环组分，其高效合理利用一直是煤转化为洁净能源过程中存在的瓶颈问题。利用其组成、结构特点制备高性能炭材料,是高效利用重质碳资源、提升煤炭转化技术经济性的重要内容。炭材料以其性能与价廉优势，最早也是截至目前工业化最为成功的电化学电容器电极材料。随着新能源技术的发展,对电容器电极材料的要求越来越高,要求其具有高能量密度同时具有高功率密度。为此人们尝试各种手段来改善电极材料的性能，其中通过杂原子掺杂来提高炭电极材料性能被广为关注。在炭基体中掺杂氮是显著提高其电容量的有效方法，但通常氮源本身易热解，如何掺氮、掺氮量及杂原子形态的控制是难点。本项目为煤系重质物的高附加值利用提供了一条新途径，为掺氮多孔炭及在超电中的应用提供了重要的理论和实验基础。.本项目开发了由重质煤基衍生物制备氮掺杂多孔炭材料技术，主要工作包括：（1）系统研究了氮掺杂多孔炭的合成工艺与条件，原料组成、结构与最终产物的结构、性质间的联系；（2）研究了电解质与电极孔尺寸、结构及表面性能之间的关系；（3）揭示基于重质煤沥青质的掺氮多孔炭作为超级电容器电极材料的特点。.主要结论：.以煤系沥青质为碳源，合成了孔容、比表面积和孔分布相近但孔道曲折度不同多孔炭，研究了电解质离子在不同孔结构内的迁移规律，证明了二维六方孔道有利于电解质离子传输，三维双连续孔道有利于存储容量。利用不同造孔方式研究了材料表面性质和孔结构的变化，模板法可以通过模板尺寸和量控制多孔炭的孔尺寸及丰度；化学活化法可以得到微孔丰富的高比表多孔炭，KOH对富氮前体中的氮具有较强的选择性刻蚀，产物中氮原子主要以类吡咯氮或羟基吡啶氮存在；物理活化时活化剂对富氮前体中氮的刻蚀显著弱于KOH，对氮原子没有明显的选择性刻蚀，所得氮掺杂多孔碳中氮原子主要为类吡啶氮和石墨型氮，与活化剂的种类和活化时间无关。前驱体表面含氧官能团的存在有助于固氮。.