李开喜:低值煤沥青构筑高性能电容炭方面取得系列进展

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焦化行业产生大量低值的煤沥青副产品，如何使其高附加值化一直是各方关注的焦点，利用其灰分低、残炭率高等特点而制备的多孔电极炭，可用于电化学储能等新兴能源领域。然而煤沥青高温成炭过程中需经历液相炭化，故对其微观形貌和孔隙结构的调控极其困难，加之稠环分子的反应惰性又使其炭产品表面化学性质难以裁剪。

　　近年来，中国科学院山西煤炭化学研究所702课题组研究员李开喜及其带领的科研团队，通过对沥青分子精准设计，无模板构筑了一系列纳米结构电极材料，组装了高性能柔性全固态电容器和非对称电容器，实现其能量密度和循环稳定性的显著提升，且交联自组装策略还成功应用于沥青基球状活性炭生产线上，取得了基础和应用双突破。
　　对煤沥青组成的精细化认识是其高效利用的前提，通过构建合适的溶剂体系将其切割为组成结构相近的各族组成，依据沥青中喹啉可溶物族组分的分子特点，经磺化改性和常规活化后构筑了面向全固态的超级电容器应用的纳米层状炭（Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5(30):15869-15878；Fuel, 2019, 242: 184-194）。随后，基于轻质族组分自发泡原理，实现蜂窝状多孔炭形貌和中孔比例的调控，显著增益其内部电解液传质和表界面活性位点暴露效果（ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 7(2): 2116-2126）。为精准调控稠环分子间距，采用氧化交联的方法接枝大量悬键，并以此为“抓手”促进分子可控自组装，实现纳米层状炭微观形貌和2~5 nm孔隙结构的同步控制，进一步提高其电化学储能性质（Journal of Power Sources, 2019: 227446）。鉴于表面化学性质的定向设计和优化可有效改善炭材料电子特性和化学性质（ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(14): 13214-13224），通过自由基诱导沥青分子聚合以及在炭骨架结构中掺杂异原子，制备了N/S功能化堆叠式炭纳米片。组装的非对称全固态超级电容器在电流密度1A g-1时比电容为458 F g-1，其体积能量密度可达27 Wh L-1，功率密度为296 W L-1，在2万次循环后容量衰减率仅为5.9%，非常适合狭窄空间应用场景（Energy Storage Materials, 2020, 26: 119-128）。
　　以上工作提出的煤沥青基纳米多孔炭材料的构筑策略，为探索大规模电化学储能电极材料的低成本制备开辟了新的视野，并得到国家自然科学-山西省低碳联合重点基金、山西省自然科学基金和山西省煤基重点科技攻关项目的支持。
        论文链接：[color=rgb(41, 102, 202) !important]1 [color=rgb(41, 102, 202) !important]2 [color=rgb(41, 102, 202) !important]3 [color=rgb(41, 102, 202) !important]4 [color=rgb(41, 102, 202) !important]5 [color=rgb(41, 102, 202) !important]6

         煤沥青，人造沥青的一种，一般为粘稠的液体、半固体或固体。色黑而有光泽。煤沥青煤焦油蒸馏加工去除液体馏分后的残余物，约占煤焦油总量的50%~60%，属大宗产品，现行国家标准为GB/T 2290-2012。煤焦油加工过程中，经过蒸馏去除液体馏分以后的残余物称之为煤沥青，煤沥青是煤焦油的主要成分，约占总量的50%~60%，一般认为其主要成分为多环、稠环芳烃及其衍生物，具体化合物组成十分复杂，且原煤煤种和加工工艺的不同也会导致成分的差异，现行的方法主要是根据其表现出的软化温度进行区分的。一般室温下，煤沥青为黑色脆性块状物, 有光泽；臭味, 熔融时易燃烧, 并有毒。煤沥青的温度稳定性较低，与矿质集料的粘附性较好，气候稳定性较差（冷热变化大），以及含对人体有害成分较多，尤以苯并芘等致癌性多环芳烃居多，是环境中该类污染物的主要来源之一。

         李开喜,男，1964年11月生,中国科学院山西煤炭化学研究所研究员、博士生导师、炭材料重点实验室副主任。1990年毕业于四川大学，获理学硕士学位，1999年在中科院山西煤炭化学研究所获工学博士学位。2000年任中科院山西煤化所研究员，2005年担任博士生导师，2002年起任中国科学院炭材料重点实验室副主任。主要进行特种多孔活性炭如超级活性炭、球状活性炭和活性炭纤维等的基础研究和应用研究。至今已指导毕业及在培养的博士生12名、硕士生7名。发表论文50余篇，申请国家发明专利40余项。