氧解残煤微波制备多孔炭及吸波应用

发布时间：2020-09-16 19:45

　　近年来,以煤为碳源制备新型炭材料的研究日益增多。褐煤氧化解聚提取小分子活性物质,是褐煤高效清洁利用的重要技术手段,氧化提质后形成氧解残煤。本文立足于氧解残煤利用研究较少的现状,以云南曲靖褐煤为原料,经氧化降解获取氧解残煤。进而研究了氧解残煤的微波炭化过程。在此基础上,利用微波一步炭化活化法制备出了煤基多孔炭,研究了影响煤基多孔炭结构的主要因素,并考察了其在锂电方面的应用。进一步还研究了煤基多孔炭负载镍锌铁氧体及其吸波性能。为煤炭能源的高效可持续利用开拓新的途径。在氧解残煤的微波炭化研究中,主要探讨了微波参数和矿物质对炭化料结构的影响,分析了氧解残煤中矿物质的催化作用。研究结果表明:增大微波功率、延长微波时间有利于炭化产物有序程度的提高,使碳微晶在横向纵向发展。氧解残煤中矿物质对其微波炭化过程起到催化石墨化的作用,能促进碳微晶趋于规整排列。矿物质催化作用表现为G-效应与A-效应混合作用。G-效应是碳原子与矿物质中的铁元素形成相应碳化物,后碳化物分解,碳原子得以重排而趋于规整排列。A组分使催化石墨化的均一化程度得到提高。以脱灰氧解残煤为原料,利用微波一步炭化活化法制备了煤基多孔炭,研究了微波功率、微波时间和碱炭比对煤基多孔炭结构的影响。研究结果表明:所得煤基多孔炭热稳定性良好,所含官能团种类少,具有丰富的孔结构,主要以微孔为主,并有少量中孔。通过调控微波功率、微波时间、碱炭比这些实验因素可调控煤基多孔炭的比表面积、孔径分布和孔结构。微波技术高效节能、反应迅速,当碱炭比为3,微波功率600 W时,仅需反应10 min,所获得煤基多孔炭比表面积高达3285 m~2·g~(-1),总孔容达1.81 cm~3·g~(-1),微孔容达1.63 cm~3·g~(-1)。研究了以煤基多孔炭作锂离子电池负极材料的电化学性能。在电流密度100mA·g~(-1)下,煤基多孔炭的首周放电比容量达到了955 mAh·g~(-1),循环70圈后其放电比容量仍可达到698 mAh·g~(-1)。即使是在2000 mA·g~(-1)的大电流密度下,其放电比容量仍可保持在300 mAh·g~(-1)左右。以煤基多孔炭作锂离子电池负极材料,其循环稳定性良好,倍率性能优异,应用前景广阔。采用化学共沉淀法,制备镍锌铁氧体Ni_(0.8)Zn_(0.2)Fe_2O_4前驱体粉末。通过微波固相反应制备了煤基多孔炭负载Ni-Zn铁氧体吸波材料,探索了煤基多孔炭孔结构和煤基多孔炭配比对负载材料吸波性能的影响。研究结果表明:使用微波固相反应法进行煤基多孔炭负载Ni-Zn铁氧体,所得Ni-Zn铁氧体颗粒较大、在煤基多孔炭表面分布不均匀,存在团聚现象。煤基多孔炭孔结构对吸波性能的影响较小,孔结构中具有较大微孔容的负载材料吸波性能较好,中孔容的影响并不明显。煤基多孔炭配比对负载材料吸波性能的影响很显著,当煤基多孔炭配比为50%时,在15.2 GHz处达到最大衰减20.8 dB,有效频带宽为4.4 GHz。煤基多孔炭拓宽了镍锌铁氧体的吸波性能,所得负载材料吸波性能优异,通过调整涂层厚度,可满足各频段的吸波要求。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;X752
【部分图文】：

镍锌铁氧体,晶体结构

材料的导电率有关。导电率越大，则越容波材料一般都具有较高的电损耗正切角[72导电高聚物、石墨等。（2）介电损耗型吸波或者界面极化来实现电磁波的衰减[73]。常和钛酸钡等。（3）磁损耗型吸波材料主要通共振，畴壁共振等作用等来对电磁波能量进料有铁氧体和金属微粉两类。成型工艺可分为涂覆型和结构型。（1）涂覆粘合剂混合后涂覆在材料表面以达到吸波效剂分散在结构材料中形成结构复合材料，这覆型吸波材料具有成本低廉、制备工艺简差，同时因无吸波特性材料的加入会造成吸发展方向是尽可能使材料达到“轻、薄、宽晶体理论

曲线,催化石墨化,X射线衍射,实线

催化剂的影响等。研究指出，在热处理温度 700 至 1300 K 下，碳晶和碳化过程中间相，并且将会由层状液晶向列相液晶转变。随着提高，碳的层状液晶和碳化中间相向完美石墨转变，这些液晶分子排列。Oya 等进一步研究了碳材料催化石墨化时，温度对石墨化程及不同催化剂种类、催化剂粒径时对应的催化石墨化机理。其研究在四种碳的催化石墨化机理，如图 3-1 所示。1）G-效应（a）是铁系催化剂作用下碳材料进行催化石墨化的 XRD 谱图，在发现的石墨就是这种类型。由图可以看出，无催化剂作用下，无定个相对平滑的宽峰；而经 G 组分催化后，碳的 XRD 谱图由宽峰和组成。G 组分尖峰峰位为 26.5°，其 d002间距约为 335.4 pm，结晶墨化过程中有序石墨晶体结构的生成。当催化剂粒径在 100 nm 左 G 效应的催化机理，分别是：原料碳或无定形碳熔融进入催化剂溶墨化碳的形式析出；原料碳或无定形碳与催化剂形成碳化物中间体石墨化碳。

照片,数码照片,照片

图 3-2 OC 的数码照片( a )和 SEM 照片( b,c )Figure 3-2 The digital image ( a ) and SEM images ( b,c ) of OC（2）OC 的 X 射线衍射谱图图 3-3 所示为 OC 的 X 射线衍射图。图中，X 射线衍射峰较多，利用 Jade 6.0进行物相检索分析，将其衍射峰对应的物质归结为两类：一是矿物质，石英 SiO2产生的尖锐强峰，其峰强相对较大，图中已对其衍射峰进行了标示，另外还有一些其他种类矿物质，由于含量不一，在图中形成强度不大的各类小峰；另一类衍射峰是由有机物产生的，检索结果显示，主要有机物的分子式为 C4H6O5V 和C9H10O4。谱图中横坐标在 16~29°范围内，存在一个弱的宽峰，这是碳的 002 峰。此峰弱而宽泛，说明 OC 中的碳主要以无定形碳的形式存在。从图中可以看出，碳的 100 峰出现在了 43°左右，其表现形式也是一个弱宽峰。YN 氧化降解后所得 OC 含有煤的大分子骨架，表现为无定形碳的形式，将其作为碳源制备炭材料是可行的。 Quartz -SiO( a ) ( b )5k 倍 ( c )2.5k 倍

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