离子液体中煤大分子及其模型化合物电化学加氢液化的电极过程基础研究

The development of liquefaction of coal is essentially important for the increasing need of fossil oil, the protection of environment and the sustainable economic development etc. Herein, ionic liquids systems, for the first time, are applied to the liquefaction process of coal macromolecules through electrochemical methods. The dispersion and dissolution processes of coals in various ionic liquids systems will be systematical studied to establish ideal electrolyte system for electrochemical liquefaction purpose. Electrodes including various catalytic metal electrode, and surface modified porous electrodes will be prepared to enhance the reduction efficiency of coal in ionic liquids system. The reduction process of model compounds of coal will be traced by in-situ surface vibrational spectroscopic techniques, to help to understand the mechanism of structure change of the coal macromolecules during the liquefaction process. The present study, which provides deep understanding of the dependence of the coal electrochemical reactivity on its structure, is hopeful to significantly improve the liquefaction efficiency of coal by electrochemical methods, and help to develop clean and economical coal liquefaction technique.

煤液化技术对于石油供给安全、环境保护等基本国计民生有重要战略意义和经济价值。本研究首次将离子液体体系引入到煤大分子的电化学液化研究。通过对不同性质的离子液体对不同煤阶的煤大分子的溶胀、分散、溶解作用的系统研究，优化煤大分子的电解液体系。选择和制备不同性质的阴极电极，包括具有析氢高过电位和低过电位的金属催化电极，以及表面进行催化活性修饰的多孔硅、多孔炭等多孔电极，在离子液体体系中，对煤大分子的阴极还原反应的电极过程进行研究。同时，通过利用现场表面振动光谱法对煤模型化合物的电化学阴极还原过程进行跟踪分析，提出煤大分子在加氢液化过程中的反应机理。本研究通过对煤大分子的结构与其电化学反应性的关联进行深入的研究，有望提出一种新的煤液化方法，大幅提高煤液化的阴极反应效率，推进低成本、清洁的电化学煤液化技术的实用化，具有重要的基础理论研究价值和广阔的应用前景。

煤炭液化技术对于缓解石油能源短缺、降低传统煤炭利用过程产生的环境问题有重要的意义，尤其对于我国这样富煤少油的国家是不可或缺的能源技术。本项研究利用电化学电解方法，引入新材料离子液体对煤炭进行溶胀，提高煤炭的反应活性，并首次利用离子液体体系作为电解液实现了各种煤阶的煤炭的液化过程，取得了较高的液化率结果。以神华煤作为低阶煤（褐煤）的研究对象，利用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯 ([Bmim]Cl)实现了1.73的溶胀度。在Cu/Ni-W-B 催化电极上实现了57.6%的液化率，并提出电解液化的反应机理。以长焰烟煤作为中阶煤研究对象，发现离子液体对烟煤的溶胀效果大大好于常规有机溶剂，达到3.77。首次利用离子液体作为电解液，实现了62.5%的液化率，高于同样条件下水溶液中的液化率。对高阶煤阳泉无烟煤的研究发现，1-辛基-3甲基咪唑氯盐（[Omim]Cl）的溶胀性能大大高于其他离子液体，达到3.26。通过在离子液体体系中的电解加氢，实现了64.3%的无烟煤电解液化率，高于在水溶液中的液化结果。同时，还研究了苯酚、萘等煤炭大分子模拟化合物的电化学还原过程，实现了模拟化合物的加氢反应，并提出反应机理。相比于目前煤炭液化工业所需要的高温、高压、高成本的技术现状，利用电场实现经济、绿色、高效率的煤炭电解液化技术具有重要的应用前景和理论研究价值。