Upgraded Structure and Application of Coal-Based Graphitic Carbons Through Flash Joule Heating

论文亮点

研究背景

• 煤是一种重要的化石能源，占全球一次能源消费的27%，但传统利用方式面临环境污染和碳排放问题
• 将煤转化为高价值碳纳米材料是实现其高值化利用的有效途径，但传统方法需要腐蚀性/有毒化学试剂和耗时的热处理
• 开发绿色、高效的煤转化技术对于实现碳中和目标具有重要意义

研究方法

1. 使用三种不同煤阶的煤作为原料：褐煤、烟煤和无烟煤
2. 通过球磨和砂磨将煤粉细化至200目
3. 采用KCl/K₂CO₃熔盐介质进行预处理，消除杂质并增强导电性
4. 使用闪速焦耳加热系统在140V电压下进行瞬时热冲击处理（小于1秒）
5. 通过SEM、TEM、XRD、FTIR、拉曼光谱、XPS等多种表征手段分析产物结构
6. 进行电化学测试评估材料的电容性能
7. 结合分子动力学模拟研究结构转变机制

主要结论

图1: 闪速焦耳加热制备煤基石墨碳材料的示意图

图1: 闪速焦耳加热制备煤基石墨碳材料的示意图

该示意图展示了使用闪速焦耳加热技术从不同煤种制备石墨碳材料的全过程。包括原料预处理、熔盐活化、闪速焦耳加热处理以及最终产物的形成过程。图中清晰展示了三种不同煤阶煤（褐煤、烟煤、无烟煤）的分子结构模型及其在闪速处理后的结构转变。

图2: 不同煤种及其处理后产物的结构表征

图2: 不同煤种及其处理后产物的结构表征

图2展示了三种煤（褐煤、烟煤、无烟煤）的分子结构模型(a-c)、扫描电镜图像(d-f)、透射电镜图像(g-i)以及XRD图谱(j-l)。结果表明，经过熔盐预处理和闪速焦耳加热后，所有煤种都形成了明显的层状 morphology，与初始煤的块状外观形成鲜明对比。高分辨率TEM图像显示出了明显的晶格条纹，验证了瞬时热冲击后形成了高石墨化度的碳材料。XRD图谱显示仅在26°附近有尖锐的峰，对应于C(002)面的衍射，表明有效去除了煤中的杂质。

图3: 不同煤种及其产物的红外和拉曼光谱分析

图3: 不同煤种及其产物的红外和拉曼光谱分析

图3展示了不同煤种的红外光谱(a)和拉曼光谱(b-c)，以及经过闪速处理后的产物的红外光谱(d)和拉曼光谱(e)，以及基于拉曼和红外光谱的DOC和FWHM分析(f)。红外光谱分析表明，随着煤阶的增加，参数I和DOC逐渐增加，表明在煤化过程中芳香环不断缩合。拉曼光谱显示，经过闪速处理后，G峰变得更加尖锐和对称，表明C-C键向C=C键转变，ID/IG比值减小，表明FJH过程中缺陷得到修复。DOC值分析表明，无烟煤-MSF具有更高的芳香环缩合度和大尺寸芳香片段。

图4: 不同闪速电压对碳材料结构的影响

图4: 不同闪速电压对碳材料结构的影响

图4研究了不同闪速电压对碳材料结构的影响。温度-电压图(a)显示施加电压与温度成正比关系，在160V时温度可超过3800K。XRD图谱(b)显示随着闪速电压增加，C(002)峰强度显著上升，表明施加电压与制备材料的结晶度呈正相关。红外光谱(c)和DOC曲线(d)表明较高电压加速了芳香环的缩合反应。XPS全谱(e)和高分辨率C1s谱(f)显示随着FJH电压增加，氧比率降低，sp²碳比率增加，表明石墨化比例增加。拉曼光谱(g)和ID/IG、FWHM分析(h)表明高电压对由熔盐预处理引起的结构缺陷有更好的修复效果。

图5: 不同煤基碳材料的电化学性能

图5: 不同煤基碳材料的电化学性能

图5评估了不同煤基碳材料的电化学性能。恒电流充放电曲线(a-c)显示，较高的闪速电压导致容量值降低，这是由于高温下缺陷位点和含氧基团减少所致。不同煤种在不同闪速电压下的比电容(d)表明，低煤阶煤（褐煤和烟煤）衍生的石墨碳材料在不同闪速电压下表现出更高的电容，而无烟煤-MSF具有优异的倍率性能。Bode图(e)和弛豫时间常数分析(f)显示，较高的闪速电压导致三个煤衍生碳材料的τ0值降低，因为高电压有利于芳香环的缩合和大尺寸芳香片段的形成。无烟煤-MSF在140V下的τ0值最低(0.27s)，表明其具有优异的电荷存储动力学性能。