热接触变质煤制备石墨烯:化学结构演化

作为具有优异性能的碳材料,石墨烯应用前景广阔。我国煤炭资源储量丰富,以煤为原料,探讨制备石墨烯的研究需不断深化。受岩浆影响的热接触变质煤具有高碳含量、高芳香度等特点,但其制备石墨烯的可行性值得研究。以淮北煤田朔里煤矿5号煤层为研究对象,采集3个靠近岩浆侵入体的热接触变质煤为原料。煤基石墨烯的制备采用改进Hummers法,原煤经石墨化后,通过氧化、超声剥离、还原成石墨烯。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱和X射线衍射对煤基石墨、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯逐一进行分析。结果表明:3个样品制得的煤基石墨的(002)晶面间距均为0.3381 nm。氧化石墨烯的分子结构中含有羧基、羟基和环氧基,在还原后这些官能团脱落并形成了还原氧化石墨烯结构中的缺陷。煤基石墨和还原氧化石墨烯的红外光谱都出现了羟基的特征吸收峰,区别在于煤基石墨中的羟基为石墨化过程中所残留的,而还原氧化石墨烯中的羟基则是氧化石墨烯未彻底还原所残留的。拉曼光谱分析的结果表明氧化石墨烯在还原后ID/IG(D峰与G峰强度比)>1,为还原过程中石墨烯片层表面的环氧基脱落形成的面缺陷所导致。由朔里热接触变质煤所制备出的还原氧化石墨烯的平均层数分别为4.29、3.97和4.31,均属少层石墨烯,热接触变质煤可作为制备石墨烯的原料。     

黔西与湖南寒婆坳地区煤制石墨烯结构的演化特征

石墨烯作为21世纪的战略性新兴材料，因其优异的性能受到广泛关注。研究表明煤可作为石墨烯碳源，并且煤的属性也影响石墨烯的结构特征，结合我国煤变质成因复杂、煤变质作用类型多样的特点，旨在研究不同变质作用背景对石墨烯结构的影响特征。采集黔西地区深成叠加热液变质作用6个煤样及寒婆坳地区岩浆热变质作用4个煤样，全部利用HCl-HF-HNO₃酸洗方法进行处理后得到脱矿煤样，以排除矿物的影响；后使用中频感应石墨化炉对脱矿煤样进行2 800℃高温处理后得到煤基石墨样品；最后利用改进的Hummers氧化还原法对煤基石墨进行氧化、超声剥离、还原处理，得到石墨烯样品；用于测试样品微晶尺寸、空间形态等信息的X射线衍射(XRD)对脱矿样、煤基石墨、石墨烯进行表征并得到相关结构参数，用于测试样品缺陷、完整性的拉曼光谱(Raman)对脱矿样、煤基石墨、石墨烯样品进行表征并得到相关参数，用于观察样品微观表面形貌的透射电镜(TEM)对石墨烯样品进行表征并得到图像。实验及表征结果：透射电镜(TEM)得到的图像表明2种变质类型的煤均可制备出3～5层的石墨烯层片。X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Rama...     

煤基活性炭定向制备:原理·方法·应用

依托丰富的煤炭资源,我国成为世界上最大的煤基活性炭生产国。简要回顾了我国煤基活性炭工业的起源和发展历程,介绍了煤基活性炭的制备方法、生产工艺及应用现状,分析影响活性炭合理应用的因素,着重讨论了活性炭定向制备的概念、原理、方法及应用,提出了我国活性炭工业发展面临的重要问题和亟待研究的课题。结果表明:活性炭具有发达的孔隙结构,依据其对气、液相中微量成分选择性吸附的能力,在国防、医药、食品、化工行业得到广泛应用,近年来在能源、环境领域发现极大的应用前景;物理活化法是煤基活性炭制备的基本方法,原煤破碎活性炭、柱状活性炭及压块活性炭工艺是目前煤基活性炭的主要工业生产工艺,尤其是压块活性炭工艺,由于产能大、产品质量高且稳定并适于配煤、添加剂调孔,已成为新建、扩建活性炭企业的首选;孔结构、表面化学、形状、机械强度、流体力学性能等是影响活性炭应用的主要因素,"活性炭定向制备"即以用途对活性炭组成、结构和性能的要求为导向,制备具有适宜组成、孔结构、应用性能的活性炭产品,按照煤基活性炭定向制备涉及的指标及相互关系、影响因素、调控方法及难度,以孔结构调节为中心开发煤基活性炭定向制备技术成为主要策略;孔结构调控是在保证活性炭孔隙充分发育的前提下根据应用需求调节活性炭不同尺寸孔在总孔容中的比例,筛选原料煤、配煤、添加剂、优化工艺参数等措施,可以在不同程度上控制炭化过程,使炭化向生成各向同性、非石墨化、反应活性高、初生孔隙发达炭化物的方向发展,为活化阶段活化剂-炭基质间反应速度的调变打下基础,易于孔结构调控;煤基活性炭定向制备技术已应用于低灰高比表面积活性炭、磁性活性炭及兼有双电层电容和法拉第电容的高容量电极炭的研制,此外,在单种活性炭难以满足应用途径对活性炭提出的综合性能指标要求的情况下,配炭或是一种有效的解决途径。活性炭孔结构的精准量化调控、中孔活性炭的制备、配炭等研究尚待进一步深入;活性炭应用研究,利用西部高碱煤中内源性碱(土)金属调控煤基活性炭孔结构,开发洁净活性炭生产工艺,是煤基活性炭定向制备面临的新课题。     

京西煤制备氧化石墨烯分子结构模型的构建与优化

随着煤基碳材料的发展,石墨烯及石墨烯氧化物等二维碳纳米材料已成为目前新型材料中重要研究领域并成为研究热点。为查明煤基氧化石墨烯的化学成分组成和分子结构特征,以北京西山矿区侏罗纪门头沟系的8号煤层无烟煤为碳源,对京西原煤样和脱灰样进行了工业分析和元素分析,京西煤属于品质较好的低灰、低挥发分和特低硫无烟煤,脱灰后京西无烟煤的灰分产率从初始的9.26%下降到0.65%,表明矿物得到了有效去除。利用改良的Hummers氧化还原法制备煤基氧化石墨烯,并对制备的氧化石墨烯进行了核磁共振碳谱(¹³C-NMR)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X-射线光谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段测试。通过Origin软件对所得数据进行分析和图谱拟合,得到了所制备煤基氧化石墨烯产品的元素比和产品结构参数。研究表明:京西煤基氧化石墨烯的芳香结构以苯、萘、蒽和菲为主;脂肪碳以次甲基、环烷烃的形式存在,其中含氧官能团以酚羟基和醚氧基为主,还含有大量的羧基。在此分析数据的基础上,构建了京西煤基氧化石墨烯的分子结构模型,并运用¹³C-NMR预测软件ACD/CN...     

添加剂对煤基石墨微观结构的影响

以太西无烟煤为原料,分别加入不同质量的二氧化硅、二氧化钛、氧化铁为添加剂,采用高温石墨化处理制备煤基石墨。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、激光共焦拉曼光谱仪（RAMAN）、全自动比表面积和孔径分析仪（BET）等手段表征煤基石墨微观结构。研究表明经2 800℃高温热处理后,所得煤基石墨的石墨化度均超过89%,显著改善了无烟煤无序的微晶结构,实现了煤中sp2杂化碳原子有序化重排;在相同的添加剂混入水平下,以二氧化钛为添加剂的煤基石墨的石墨化程度、堆砌高度相对较高,层间距与理想石墨层间距差异最小,碳材料有序度越高;拉曼光谱显示不同添加剂作用下煤基石墨的有序度差异明显,并同步受添加剂用量影响,各添加剂中TXSC3、TXTC2和TXIC3煤基石墨的有序度最高;扫描电镜下发现在3种添加剂条件下,可分别制备出鳞片状,球形以及2种形貌兼具的煤基石墨;各煤基石墨的比表面积和孔径分布数据显示具有相似的低温氮气吸附-脱附等温线。     

煤基碳纳米片宏观体的结构调控及电化学性能

煤炭的洁净加工与高效利用是国家实施能源发展战略的核心内容,而煤的材料化是实现其低碳高值化利用的重要途径之一。以自制煤基石墨为原料,采用液相氧化-热还原工艺制备三维层次孔煤基碳纳米片宏观体(CCNSs),利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、低温氮气吸附仪、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)等手段表征其微观结构,并采用恒流充放电和循环伏安测试探究CCNSs用作锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明,煤基石墨经液相氧化-热还原处理可制备出富含多孔结构和石墨微晶片层的碳纳米片宏观体。氧化剂用量是影响CCNSs微观结构的重要因素,通过调节氧化剂的用量可实现对CCNSs中多孔结构和石墨微晶片层结构的有效调控。当氧化剂与煤基石墨的质量比为4时,CCNSs-3材料以相互交联的类石墨烯片层为主体骨架,辅以孔径为1.5～100 nm的"微孔-中孔-大孔"层次多孔结构,共同构筑成3D层次孔煤基碳纳米片宏观体,其石墨微晶含量约为38.9%,比表面积达285.6 m²/g,且含有5.47%的氧原子掺杂。在3D层次孔结构和石墨微晶片层的协同作用...     

云南小发路无烟煤基石墨烯制备与谱学表征

为研究云南小发路无烟煤制备煤基石墨烯及其谱学特征,采用改良的Hummers氧化还原法制备煤基石墨烯,并综合利用透射电镜(TEM),X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等表征手段对原煤以及过程产物的化学结构进行表征,结果表明高温石墨化显著改善了小发路无烟煤的微晶结构,晶粒尺寸增加,平均芳香层数可达54.84,有利于后续氧化插层形成氧化石墨烯;氧化反应产生了大量含氧官能团,增加了煤基氧化石墨烯的缺陷度(I_D1/I_G=2.06),层间距可达0.790 nm;还原氧化石墨烯表面含氧官能团大幅度减少,缺陷度减小至1.58,芳构碳的有序度增加,成功制得煤基石墨烯;透射电镜下发现小发路无烟煤晶格条纹大部分为无定向弯曲,层间堆垛较厚,所制备的煤基石墨烯则呈透明薄层状,表面含有较多翘曲,边缘处可观察到线性晶格条纹,层数达3～5层。小发路无烟煤的含氧官能团以酚、醇、醚、酯为主,羧基含量较低,羟基共检测到环状羟基、与醚作用形成氢键的羟基、羟基间氢键相连的羟基、与芳香体系形成氢键的羟基以及自由羟基等5种,氧化后的煤基氧化石墨...     

煤基纳米碳材料制备技术的研究与应用

纳米碳材料可以由化工产品、木材、煤等原料制取,在现代工业中发挥着越来越重要的作用。我国煤炭资源丰富,开发煤基纳米碳材料制备技术意义重大。文章介绍了碳纳米管和石墨烯两种具有代表性纳米碳材料的结构、特点、应用前景,阐述了以煤为原料制备两种材料的工艺流程,以为提高煤炭资源的综合利用程度提供理论参考。     

基于机械力化学作用煤基石墨纳米片的制备及其电化学储能特性

煤炭清洁高效转化是国家实施"碳达峰与碳中和"能源发展战略的重要内容,而煤的材料化是实现其低碳高值化洁净利用的有效途径.以自制煤基石墨为前驱体,借助高能机械球磨产生的机械力化学作用制备煤基石墨纳米片(CGNs),考察了球磨时间对CGNs微观结构的影响,并研究其用作锂离子电池负极材料的电化学储能特性,探索利用机械力化学作用...     

PSA用煤基炭分子筛及其制备方法与工艺

阐述了炭分子筛孔隙结构、筛分原理 ,综述了煤基炭分子筛制备方法和工艺 ,并对我国煤基炭分子筛制备中存在的问题及今后的发展提出了建议     

煤基活性炭制备中化学添加剂的应用对比

化学添加剂对煤制活性炭的制备过程具有一定的控制作用。以唐山矿长焰煤为研究对象,按照不同比例加入了不同量的ZnCl2和KOH,研究了炭化过程中化学添加剂对煤挥发性、煤产物微晶结构以及活化程度的影响,为煤基活性炭制备工艺的优化提供了参考。     

基于原子力显微镜观测的煤中显微组分微观形貌与孔隙结构

煤炭既是重要的能源资源,也是潜在的材料原料。作为能源时,煤的物理结构在其综合利用及转化中有不可忽视的作用,如煤中孔隙结构对煤层气的储存、吸附、运移、解吸等有关键性作用。作为材料原料时,能为高精尖产业提供优质原料来源,如煤基石墨、煤基石墨烯等。显微组分是煤的主要成分,对煤的属性及其应用贡献巨大。以榆横矿区小纪汗煤矿2号煤层样品（XJH）为研究对象,对煤中显微组分开展原子力显微镜（AFM）观测,分析镜质组、半丝质体和丝质体的微观形貌和孔隙结构特征,为该区煤的清洁高效利用夯实基础。结果显示,XJH煤显微组分的微观形貌以粒状结构为主,表面颗粒呈不同规则程度圆形或椭圆形随机分布;镜质组表面颗粒的功率谱密度分形维数Ds最大,颗粒空间充填能力和高低起伏程度大,随机性强,微观结构较复杂。半丝质体次之。丝质体Ds最小,颗粒分布较疏散,起伏程度较缓,微观结构较镜质组和半丝质体简单。孔隙结构方面,镜质组孔隙平均孔径和面积最小,但孔隙数量最多,且贡献主要来自孔径<2 nm的微孔,镜质组孔隙结构更利于煤层气的吸附和储存;惰质组平均孔径和面积大于镜质组,但孔隙数量更少,这是惰质组中孔径2～50 nm的介孔数...     

煤基电容炭实验研讨

为了开发一种新型高效煤基电容炭方案,使煤炭资源不仅仅是作为能源,而是作为一种新型高储能原材料进行开采,提出了实验室制备煤基电容炭实验方案,通过对原料煤进行前处理、活化、后处理等一系列处理后,制备出煤基电容炭,并就制备的煤基电容炭进行数据表征测验,从而进一步利用煤基电容炭组装成超级电容器,并对组装成的电容器进行恒流充放电性能测试和循环伏安性能测试,结果表明,原料煤具备作为一种新型高储能原材料进行保护性开采的可能性。     

煤基多孔大比表面前沿杂化碳材料定向制备及构性

近年来,随着材料科学的迅速发展,自然储量丰富的煤炭资源成为高值利用的重要碳源材料。煤炭既有与其他碳源材料相似的高含碳量,又具有煤炭组分分子本身特殊的化学及丰富的分子物理结构特征,因此在煤基炭材料生成制备过程,由于高温、电磁场及氧化还原等因素影响,及分子特性结构制备需要,不同分子物理结构的碳原子可以实现多种杂化生成及选择自组装,从而定向制备不同杂化纯碳材料分子及杂化碳掺杂煤基炭材料。与此同时,不同型杂化碳原子建构了不同煤基炭材料的功能特性及应用领域,其中多孔大比表面炭材料具有重要理论及特殊应用价值。研究了煤基碳源的多孔大比表面前沿功能炭材料生成、特性及应用。首先简介了不同杂化类别多孔大比表面煤基炭材料构成;重点揭示和归纳前沿热点炭纳米纤维(CNFs)及泡沫炭(CF)等煤基活性炭类、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(Graphene)及碳量子点(CQDs)等炭材料及碳/碳复合材料的转化生成规律及制备方法;结合多孔大比表面煤基炭材料结构特征阐述了相应物化、量子学、光电及材料等方面性能及相关基本指征;揭示和建构了官能团富集煤基炭材料的低密度、大比表面、优异的光电特性、生物相容及化学活性等特征信息。...     

三相碳改性磷酸铁锂复合材料的制备及其电化学性能研究

以磷酸铁、碳酸锂为原材料,葡萄糖、碳纳米管和石墨烯为导电剂,通过砂磨工艺及碳热还原法制备了高性能磷酸铁锂、无定型碳、石墨烯、碳纳米管复合正极材料LFP/C/G/CNTs.材料表征结果表明,碳纳米管、石墨烯和无定形碳与磷酸铁锂复合在一起,成功构建了高速电子传输网络;电化学性能测试表明,LFP/C/G/CNTs具有良好的循...     

酸化辅助Hummers法制备高性能石墨烯

以天然鳞片石墨为原料, 采用Hummers法制备氧化石墨, 制得的氧化石墨经超声波振荡得到氧化石墨烯, 在还原剂水合肼作用下加热回流制得石墨烯纳米材料。采用X射线衍射仪与拉曼光谱对天然石墨、氧化石墨和石墨烯进行表征, 透射电子显微镜观察石墨烯样品形貌, 并使用三电极体系进行循环伏安法测试, 分析石墨烯材料的电化学性能, 结果表明, 石墨烯为褶皱状薄层结构, 衍射峰宽化且强度较弱, 完整度介于石墨和氧化石墨之间, 堆垛取向为无序的石墨结构。石墨烯的双电层电流远大于XC-72导电炭黑的双电层电流, 相对于XC-72, 石墨烯具有更高的电化学活性面积。     

科技创新在太西无烟煤洗选与深加工中的应用

分析了太西无烟煤的资源特征,总结了太西洗煤厂在煤炭洗选与深加工领域的多项创新与突破,其中包括超纯煤的制备工艺与设备、重介专家控制系统、炭乳油的制备技术、超细粉碎制备新型煤基材料等内容,对煤炭洗选业的发展起到了示范和引领作用。     

煤系石墨鉴别指标厘定及分类分级体系构建

煤系石墨是煤经受岩浆热变质及构造应力作用进入石墨化阶段的产物,发育不同程度石墨结构、具有石墨或类似石墨的物理化学特征和工艺性能,是战略性矿床晶质石墨的重要补充。为了给煤系石墨矿产资源评价和开发利用提供可靠基础,从煤系石墨成矿机制及演化途径研究入手,深入分析相关测试技术方法的适用性,以我国典型煤系石墨矿区测试数据统计分析结果为依据,制定科学合理的煤系石墨鉴别指标,建立煤系石墨分类分级体系。研究表明,煤系石墨是由不同演化程度的石墨化组分和残留煤岩显微组分组成的集合体,具有矿物学与岩石学或矿石学的双重属性,不同于区域变质成因的晶质鳞片石墨矿物,难以简单地采用单一指标鉴别。煤系石墨的形成是化学成分单一化、分子结构有序化的演化过程,鉴别指标亦应包括成分参数和结构参数两大类。挥发分和反射率指标在煤化作用阶段变化规律较明显,进入石墨化阶段后敏感性降低,可综合运用于初步区分煤与煤系石墨。煤石墨化的实质是纳米级大分子结构由无序向有序转化、结晶度增加和缺陷消亡的过程,因此,XRD和Raman等结构参数是鉴别煤系石墨和划分煤系石墨类型的可靠指标。基于煤系石墨测试数据统计分析所揭示的规律,采用d_00...     

激光诱导法制备煤基石墨烯的探索及其结构特征研究

为探讨以煤为含碳前驱体，利用激光诱导技术制备煤基石墨烯的可能性，选择以挖金湾高挥发分烟煤、塔山低挥发分烟煤为碳源，运用激光诱导技术制备煤基石墨烯，并应用拉曼光谱(Raman)、X射线衍射光谱(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)和高分辨率透射电镜(HRTEM)对原煤以及激光辐照后的产物进行表征。结果表明，经过激光辐照后，产物的Raman图谱呈现出典型的2D峰以及尖锐的G峰，表明其结构有序度增强。XRD图谱表明其(002)和(100)衍射峰变得窄而尖锐，层间距均为0.345 nm。XPS结果表明烟煤激光辐照后sp²的C=C键和π—π作用增强，这表明产物形成了sp2网状芳香层片。通过SEM观察到的激光辐照后样品出现分层多孔结构，同时HRTEM结果显示出芳香条纹具有少层石墨烯特征，石墨烯层数多集中在2～10层，且条纹间距均为0.346 nm，与XRD得到的结果基本一致。这些分析结果表明烟煤在激光辐照后形成了煤基石墨烯。但是，受所用样品数量限制，此研究结果只是初步认识，在下一步研究中需要增加样品数量以深入研究。     

煤基活性炭制备研究进展

概述了制备煤基活性炭的研究进展及成果.煤种和活化工艺是决定煤基活性炭性能的重要因素,针对不同煤种,介绍了物理活化、化学活化和复合活化工艺及研究进展.