Coal-Based Carbon Nanomaterials: En Route to Clean Coal Conversion toward Net Zero CO₂

基于煤的碳纳米材料：通往净零二氧化碳的清洁煤转化之路

论文亮点

研究背景

• 煤作为主要能源的历史角色面临挑战，全球煤需求预计从2021年的5640百万吨煤当量下降到2050年的540百万吨煤当量（净零排放情景下）
• 煤的结构复杂，含有纳米尺度的芳香碳域，通过桥键连接，这为合成碳纳米材料提供了独特优势
• 需要开发高附加值产品替代传统能源应用，以保持煤炭行业的活力

研究方法

1. 煤基碳点(CDs)的合成

采用强酸氧化法：使用HNO₃和H₂SO₄混合物处理煤，产率20-25%。通过控制反应温度和交叉流超滤分离实现bandgap工程。表面修饰如PEG功能化改善性能。

2. 闪蒸石墨烯(FG)的制备

使用闪蒸焦耳加热(FJH)技术：将煤压缩在电极间，通入电流使温度在毫秒内升至3000K以上，碳键断裂并重组为石墨烯。该方法自净化，无需溶剂后处理。

3. 其他纳米材料的合成

包括富勒烯、纳米金刚石(NDs)和碳纳米管(CNTs)，采用激光烧蚀、超声波法、电弧放电等方法，但这些仍处于早期研究阶段(TRL 1-3)。

4. 表征技术

使用高分辨率透射电镜(HR-TEM)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等方法对材料进行表征。

主要结论

Figure 1: 煤基碳纳米材料及其应用

内容描述: 该图展示了从煤衍生的各种碳纳米材料，包括碳点(CDs)、石墨烯、富勒烯、纳米金刚石(NDs)、碳纳米管(CNTs)和碳纳米球等。

分析结果: 这些材料在多个领域有广泛应用，如电池、太阳能电池、电容器、照明设备、显示器、生物成像系统、药物递送、防伪和复合材料等。煤作为一种丰富的碳源，可以通过不同方法合成多种高性能纳米材料，为清洁煤转化提供了多样化途径。

Figure 2: 碳点的合成、分离和应用

内容描述: 图2a-g展示了碳点的合成示意图、TEM图像、尺寸分布、bandgap关系、XPS谱图等。图2h-o展示了碳点在锂离子存储、氧还原反应(ORR)、CO₂转化、光降解、离子检测、生物成像等方面的应用性能。

分析结果: 碳点具有可调的光致发光特性、良好的生物相容性和独特的电子转移性能。在ORR反应中，B和N共掺杂的碳点表现出与商业Pt/C相当的活性。碳点还展示了在CO₂光催化转化为烃类、污染物降解、金属离子检测和生物成像等方面的优异性能，表明其在多个应用领域的潜力。

Figure 3: 闪蒸石墨烯的合成和表征

内容描述: 图3a展示了FJH过程示意图，b-d是HR-TEM图像，e是拉曼和XRD谱图，f是不同尺寸的反应管，g是分散性测试，h是水泥复合材料的机械性能。

分析结果: FJH技术能高效地将煤转化为高质量石墨烯，具有低缺陷浓度(I_D/I_G < 0.2)。添加0.1wt%的FG到水泥中可以提高抗压强度35%和抗拉强度19%，显示其在建筑材料中的增强潜力。 turbostratic结构使FG更容易剥离和分散，优于传统AB堆叠石墨烯。

Figure 4: 其他煤基纳米材料

内容描述: 图4a-c展示了煤基富勒烯、纳米金刚石和碳纳米管的TEM和SEM图像。

分析结果: 这些材料仍处于研究早期阶段(TRL 1-3)，存在纯度低、产率低和性能不足的问题。煤中的杂质(如灰分、挥发物和矿物质)对纳米材料的质量和产率有不利影响。需要优化煤的预处理方法，如预先洗涤和热处理，提高原料质量，才能获得性能更好的纳米材料。

Figure 5: 清洁煤转化策略

内容描述: 图5展示了两种清洁煤转化策略：a) 石墨化路线，将高碳化程度的煤转化为石墨碳，然后合成纳米材料；b) 气化路线，将低碳化程度的煤转化为合成气，再通过CVD方法合成纳米材料。

分析结果: 根据煤的碳化程度(CL)分类利用：高CL煤(如无烟煤)适合通过石墨化路线生产高质量富勒烯、纳米金刚石、碳纳米管和闪蒸石墨烯；低CL煤(如褐煤和烟煤)适合通过气化路线转化为合成气(H₂+CO)和甲烷，再通过CVD方法合成高质量纳米材料。这些策略为煤的高值化利用提供了可行途径，有助于减少二氧化碳排放和实现净零目标。