氢化煤沥青基碳纤维的制备与性能研究

发布时间：2020-05-12 04:37

【摘要】：煤焦油是煤炭热加工转化过程中的主要液态副产品,含有种类丰富的有机物和大量沥青质组分,是一种重要的化工资源。我国炼焦行业每年副产约2000万吨煤焦油,如何有效地实现煤焦油的高附加值利用,为我国经济建设所用,是一个富有挑战性的课题。本文围绕煤焦油中的重要类别——高温煤焦油的深加工之需求,研究开发了一种高温煤焦油全馏段加氢新工艺,这一新工艺技术能够制备得到优良的碳材料前驱体——氢化沥青和具有较高附加值的液体产品;探究了氢化沥青的利用途径,进一步制备得到高品质中间相沥青、沥青基碳纤维和具有核壳结构的异质结纳米碳纤维。这些探索性工作,对高温煤焦油的深加工利用有重要的参考价值。论文主要研究成果如下:根据高温煤焦油的物性特点及产品要求,设计并制备出系列催化剂,将其应用到连续反应装置中成功实现了高温煤焦油全馏分催化加氢处理,得到高收率的轻质油品和富含脂肪氢的改性沥青。其中,轻质油品可以直接作为调和油或航空燃油使用,也可经深度处理制取高品质汽/柴油或精细化学品等;所得氢化沥青分子中含有丰富的烷基侧链和环烷结构,同时保留了原分子中的芳环构型,是一种优良的碳材料前躯体。以所得氢化沥青为前驱体合成出中间相沥青,考察了不同氢化沥青、热处理方式和气体吹扫方式对所得中间相沥青性质的影响;利用新中间相法合成出具有广域中间相显微结构的合成沥青,其中间相含量、软化点和H/C等指标已接近或达到日本萘系中间相沥青。进一步以该中间相沥青为原料,采用熔融纺丝工艺制得沥青基碳纤维,直径为10.3μm,拉伸强度和拉伸模量分别达到1634 MPa和120 GPa,超过国内同类产品,接近日本萘系碳纤维。以氢化沥青和聚丙烯腈(PAN)为原料,利用静电纺丝工艺,制备出具有核壳结构的异质结纳米碳纤维,并将其应用到染料敏化太阳能电池(DSSCs)、超级电容器(SCs)和钠离子电池中(SIBs),研究了其作为电极材料的性能特点。在DSSCs中,电池光电转化效率达到6.92%,超过了 Pt电极(6.34%)。以自支撑膜的形式(无导电剂和粘结剂)应用于SC和SIBs中,取得了优良的电化学性能。于SCs中,1 A·g-4电流下具有220.7 F·g-1的比容量,10 A·g-4电流下仍能保有167 F·g-1的比容量,表现出良好的电化学性能及倍率性能。于SIBs中,0.1 A·g-1下比容量值达到408 mAh·g-1,1 A·g-1下保有236 mAh·g-1的比容量,同样表现出优良的电池性能。研究表明,由聚丙烯腈基硬碳构成的壳层含有丰富的N、O杂原子、缺陷位和较大的层间距,能为电池提供充足的活性位点和离子存储空间;而核纤维主要由沥青基软碳构成,具有优良的导电能力,可以有效降低电子传输损耗,提高电荷传输效率。这些特点使得该复合纳米碳纤维成为一种优良的电池电极材料。
【图文】：

石墨化碳,碳材料,石墨,单晶

逦氢化煤沥青基碳纤维的制备与性能研宄逦逡逑的碳材料被开发和使用。从史前的木炭到近代工业的人造石墨和炭黑，再到当代的原子逡逑炉用高纯石墨和飞机用碳／碳复合材料刹车片，以及现今的锂离子二次电池材料和核反应逡逑堆用第一壁材料等等，不胜枚举。逡逑

石墨化碳,材料,结构示意图,碳材料

炉用高纯石墨和飞机用碳／碳复合材料刹车片，以及现今的锂离子二次电池材料和核反应逡逑堆用第一壁材料等等，不胜枚举。逡逑图１．２不同碳材料的高倍电镜照片：（ａ）石墨单晶、（ｂ）可石墨化碳材料和（ｃ）不逡逑可石墨化碳材料逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ：邋（ａ）逡逑ｓｉｎｇｌｅ－ｃｒｙｓｔａｌ邋ｇｒａｐｈｉｔｅ邋ｗｉｔｈ邋ｐａｒａｌｌｅｌ邋ｌａｙｅｒｓ，（ｂ）邋ａ邋ｐａｒｔｉａｌｌｙ邋ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｆｒｏｍ邋ＰＶＣ邋（１５７３逡逑Ｋ），邋（ｃ）邋ａ邋ｎｏｎ－ｇｒａｐｈｉｔｉｚａｂｌｅ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｆｒｏｍ邋ＰＶＤＣ邋（１０７３邋Ｋ）．逡逑碳材料的种类繁多，按照碳元素的杂化形式，可分为金刚石、石墨碳和卡宾碳。石逡逑墨类碳材料按结晶程度可分为石墨化和非石墨化碳材料；非石墨化碳材料按高温下能否逡逑石墨化可分为难石墨化碳材料（硬炭）和易石墨化碳材料（软炭）。此外，按照发展历逡逑程，碳材料可分为传统碳材料和新型碳材料；新型碳材料按结构可分为零维的富勒烯及逡逑碳球、一维的碳纳米管及准一维的碳纤维、二维的石墨烯及石墨炔等。石墨单晶是石墨逡逑化碳的典型代表：其中的碳原子都以杂化形成碳层，碳层间通过７１－７１分子间力以逡逑ＡＢＡＢ顺序堆积而成，层间距为０．３３５４邋ｎｍ，表现出各向异性的理化性质，如图１．２ａ所逡逑示［５］。如前所述
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ522.65;TQ342.742

【参考文献】