煤基材料
以太西无烟煤为前驱体制备煤基石墨烯的研究
一、前言煤基石墨烯是一种具有巨大应用前景的新型碳材料，它具有优异的导电性、热稳定性和机械强度，被广泛认为是未来材料科学领域的研究热点。
以往的研究大多采用天然石墨或者石墨烯氧化物为原料，然而，这些前驱体存在着成本高、生产难、资源有限等问题。
以太西无烟煤为前驱体制备煤基石墨烯的研究具有重要意义。
二、以太西无烟煤1. 以太西无烟煤介绍：以太西无烟煤是一种优质煤炭资源，其主要成分为碳、氢、氧和少量硫、氮等元素。
煤中的碳元素是制备石墨烯的理想原料，其丰富的资源和广泛分布为煤基石墨烯的制备提供了可能。
2. 以太西无烟煤的特性：以太西无烟煤具有质地坚硬、热值高、灰分少、挥发份低等特点，这些特性使其成为一种理想的石墨烯前驱体。
三、以太西无烟煤为前驱体制备煤基石墨烯的方法1. 煤基石墨烯的制备方法：采用化学氧化-还原法，通过多步反应将以太西无烟煤转化为石墨烯。
2. 制备步骤：a. 氧化处理：先将以太西无烟煤进行氧化处理，使之变成石墨烯氧化物（GO）。
b. 还原得到石墨烯：对石墨烯氧化物进行还原处理，得到煤基石墨烯。
3. 方法优势：相比以天然石墨或者石墨烯氧化物为原料制备石墨烯的方法，以太西无烟煤为前驱体制备煤基石墨烯，具有原料丰富、低成本、更环保的优势。
四、煤基石墨烯的性能与应用1. 煤基石墨烯的性能：煤基石墨烯具有优异的导电性、热稳定性和机械强度。
2. 应用前景：由于其优秀的性能，煤基石墨烯在电子器件、储能材料、传感器、复合材料等领域具有重要的应用前景。
五、研究现状与展望1. 目前研究现状：以太西无烟煤为前驱体制备煤基石墨烯的研究正逐渐引起研究者的关注，相关研究取得了一定进展。
2. 发展前景：未来，随着煤基石墨烯制备技术的进一步完善，煤基石墨烯必将在材料科学领域发挥重要作用，并为社会带来更大的经济、社会效益。
六、结语以太西无烟煤为前驱体制备煤基石墨烯，是一项具有重要意义的研究课题。
它不仅有助于解决石墨烯前驱体资源稀缺的问题，还有望推动煤炭资源的高值化利用，对推动我国材料科学领域的发展具有重要意义。
煤基新材料简介
煤基新材料简介煤作为一种复杂有机碳烃大分子物质，具有从石油或人工合成难以得到的特殊芳香结构。
目前新的高性能聚合材料大都具有复杂芳香结构单元，这无疑为煤基聚合物材料的开发带来新的机遇。
在深入了解煤结构及其性质基础上，充分认识和利用煤的特殊性必然为煤的利用开辟独具特色的新途径。
80年代以来在高分子材料科学领域一个最引人瞩目的发展方向就是煤基碳素材料（碳纤维、针状焦、炭黑）。
煤基碳素材料不仅具有单一聚合物无法比拟的优良性能，而且制备工艺简单，开发周期短，生产费用低，有极高的性能/性价比，市场前景广阔，因此聚煤基碳素材料在国内外的发展极为广泛、迅速。
近年来随着煤焦油深加工行业的兴起，我们以煤化学与高分子科学的交叉领域作为加工利用的新生长点，在煤基聚合物材料方面进行了研究，在石油能源日益紧张的形势下，日本、德国等发达国家也在积极地寻求石油替代能源，其中煤基材料是一个热门研究方向。
目前主要的研究项目有：碳纤维、针状焦、炭黑。
1.碳纤维是一种含碳量高于90％的无机高分子纤维，可通过对煤炭的深加工获得。
作为一种力学性能优异的复合材料，它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料，被广泛应用于航天、航空等尖端领域，在工程等方面具有广阔的应用前景，市场需求旺盛。
11月16日，河南煤业化工集团永煤千吨级碳纤维项目成功产出合格MH300高性能碳纤维产品。
这也标志着国内最大的高性能碳纤维生产基地的建成。
该项目由河南煤化集团与中科院山西煤化所合作建设，建成投产后的永煤碳纤维公司将是河南省唯一一家生产碳纤维制品的企业。
该项目一期工程投资7.4亿元，年生产MH300高性能碳纤维500吨。
与此同时，由日本华联株式会社社长久间章生、中国华正公司董事长孙含率领的中日合资煤炭深加工碳纤维项目考察团来到山西省阳泉市，就在阳泉市投资开发这一项目的相关事宜进行考察调研。
煤基硬碳原料
煤基硬碳原料一、煤焦油煤焦油是一种从煤中提取的化学物质，呈黑色或深褐色，具有强烈的刺激性气味。
它被广泛应用于生产各种化学品和材料，如炭黑、石墨、聚丙烯腈等。
由于其碳含量高，也被用作制备硬碳的原料之一。
二、苯酚苯酚是一种无色或淡黄色的油状液体，具有强烈的特殊气味。
它是一种重要的有机化工原料，可用于生产酚醛树脂、涂料、染料等。
苯酚在高温下可以分解生成碳和氢气，因此也可以作为制备硬碳的原料之一。
三、酚醛树脂酚醛树脂是一种由苯酚和甲醛经过缩聚反应生成的合成树脂。
由于其具有良好的耐热性、耐腐蚀性和绝缘性，被广泛应用于制备硬碳材料。
酚醛树脂可以通过热解或化学气相沉积法制备硬碳。
四、石油焦石油焦是从石油中提取的一种固体碳材料，呈黑色或深褐色，具有高度的石墨化程度和纯度。
由于其优异的导电性和耐热性，石油焦被广泛用作制备硬碳的原料之一。
五、沥青沥青是一种由石油和天然气残渣经过加工而成的黑色粘稠物质，具有高度的粘结性和耐热性。
沥青在高温下可以分解生成碳和氢气，因此也可以作为制备硬碳的原料之一。
六、炭黑炭黑是一种由烃类化合物在高温下不完全燃烧或热解生成的黑色粉末状物质。
由于其具有高度的石墨化程度和纯度，炭黑被广泛用作制备硬碳的原料之一。
七、石墨石墨是一种由纯碳组成的矿物，呈鳞片状或粉末状，具有高度的导电性和耐热性。
石墨可以通过高温还原法或化学气相沉积法制备硬碳。
八、聚丙烯腈聚丙烯腈是一种由丙烯腈单体聚合而成的合成树脂，具有良好的耐化学腐蚀性和绝缘性。
聚丙烯腈可以通过热解或化学气相沉积法制备硬碳。
九、聚乙烯聚乙烯是一种由乙烯单体聚合而成的合成树脂，具有良好的耐冲击性和绝缘性。
聚乙烯在高温下可以分解生成碳和氢气，因此也可以作为制备硬碳的原料之一。
十、聚氯乙烯聚氯乙烯是一种由氯乙烯单体聚合而成的合成树脂，具有良好的耐腐蚀性和绝缘性。
聚氯乙烯可以通过热解法制备硬碳。
煤基新材料简介
煤基新材料简介煤作为一种复杂有机碳烃大分子物质，具有从石油或人工合成难以得到的特殊芳香结构。
目前新的高性能聚合材料大都具有复杂芳香结构单元，这无疑为煤基聚合物材料的开发带来新的机遇。
在深入了解煤结构及其性质基础上，充分认识和利用煤的特殊性必然为煤的利用开辟独具特色的新途径。
80年代以来在高分子材料科学领域一个最引人瞩目的发展方向就是煤基碳素材料（碳纤维、针状焦、炭黑）。
煤基碳素材料不仅具有单一聚合物无法比拟的优良性能，而且制备工艺简单，开发周期短，生产费用低，有极高的性能/性价比，市场前景广阔，因此聚煤基碳素材料在国内外的发展极为广泛、迅速。
近年来随着煤焦油深加工行业的兴起，我们以煤化学与高分子科学的交叉领域作为加工利用的新生长点，在煤基聚合物材料方面进行了研究，在石油能源日益紧张的形势下，日本、德国等发达国家也在积极地寻求石油替代能源，其中煤基材料是一个热门研究方向。
目前主要的研究项目有：碳纤维、针状焦、炭黑。
1.碳纤维是一种含碳量高于90％的无机高分子纤维，可通过对煤炭的深加工获得。
作为一种力学性能优异的复合材料，它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料，被广泛应用于航天、航空等尖端领域，在工程等方面具有广阔的应用前景，市场需求旺盛。
11月16日，河南煤业化工集团永煤千吨级碳纤维项目成功产出合格MH300高性能碳纤维产品。
这也标志着国内最大的高性能碳纤维生产基地的建成。
该项目由河南煤化集团与中科院山西煤化所合作建设，建成投产后的永煤碳纤维公司将是河南省唯一一家生产碳纤维制品的企业。
该项目一期工程投资7.4亿元，年生产MH300高性能碳纤维500吨。
与此同时，由日本华联株式会社社长久间章生、中国华正公司董事长孙含率领的中日合资煤炭深加工碳纤维项目考察团来到山西省阳泉市，就在阳泉市投资开发这一项目的相关事宜进行考察调研。
煤基石墨烯规模化制备
煤基石墨烯规模化制备一、关键技术及研究思路1. 现状煤基石墨烯的制备通常是先把煤高温高压制成高纯石墨，再由石墨制备生产石墨烯。
首先，自从改进的hummers法出现以来，由石墨制备生产石墨烯的方法已经在不断改进中变得相当成熟，目前可以进行大规模的工业化生产。
其次，国内外学者通过煤成石墨的高温高压实验也取得丰厚的成果。
根据煤层埋深、用高温补偿应变速率的不足的原则，其实验最高温度为700 ℃，最高围压为600MPa。
从煤高温高压下制为石墨的实验条件来看，虽然已经得到了煤石墨化的方法，但是其需要的实验条件却比较苛刻，目前仅仅停留在实验阶段，达不到大规模生产的需求，而且实验研究内容基本在煤化作用阶段，成果主要集中在煤的化学结构演化、反射率光性组构、脆韧性形变等。
迄今为止，国内有关煤成石墨的高温高压实验尚未有任何报道，煤成石墨的演化机理和成矿因素尚不清楚。
总之，现阶段因制备工艺的不成熟、高成本等因素限制了煤基石墨烯的大规模制备。
因此，如何制备出高性能、低成本的煤基石墨烯是目前研究工作中的重点问题之一。
2. 意义（1）石墨化的煤基石墨相对天然鳞状石墨具有更低价格，因此，开发以石墨化的煤为原料的煤基石墨烯制备技术，对于降低石墨烯生产成本具有重要意义。
（2）此外，以煤为原料制备石墨烯产品，将大幅提升煤这一优势资源的价值，改变传统煤炭加工方式，延长煤炭产业链，加快转变经济发展方式，在提高企业经济效益的同时，还可带动地区区域经济的大力发展。
（3）煤基石墨烯的制备技术的实现为煤的利用提供了一种新的途径，该途径减少了煤燃烧有害物质的排放，减少了对环境污染。
3. 重要性（1）目前石墨烯的制备原料大部分是以高纯石墨为主，随着石墨供应量的日益紧张，寻求来源广、价格低、纯度高的炭质原料是目前高性能石墨材料制备研究的一个重要方向。
（2）随着石墨烯应用领域越来越广泛，需求越来越大，但目前所用的原料成本较高。
选用煤作为起始原料在进行大规模生产的同时还能降低其成本。
神华新疆68万吨_年煤基新材料项目全厂系统工程地管施工方案
煤基新材料
比不锈钢耐腐蚀、比
耐热钢耐高温、
又能像铜那样导电，
具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料，被
广泛应用于航天、航空等尖端领域，
在工程等方面具有广阔的应用前景，市场需求旺盛。
11
月
16
日，
河南煤业化工集团永煤千吨级碳纤维项目成功产出合格
MH300
高性能碳纤维产品。
这也标志着国内最大的高性能碳纤维生产基地的建成。
为主要拖动力，
中国市场的各个领域正在扩张。
由于全球对添加炭黑填料的主要产品的需求
不旺，特种炭黑产品市场已经有所滞后。
由此可见，
煤基新材料在今后的煤化工行业具有明显的发展优势，
也是煤焦油深加工科
技升级的一个重要方向。
煤基新材料在能源替代、
环境保护及新材料优异性能方面成为了众
多煤化工专家关注、研究的热点。
向就是煤基碳素材料（碳纤维、针状焦、炭黑）
。煤基碳素材料不仅具有单一聚合物无法比
拟的优良性能，而且制备工艺简单，开发周期短，生产费用低，有极高的性能
/
性价比，市
场前景广阔，因此聚煤基碳素材料在国内外的发展极为广泛、迅速。
近年来随着煤焦油深加工行业的兴起，
我们以煤化学与高分子科学的交叉领域作为加工
利用的新生长点，
博士生导师沈曾民
教授，
国家炭纤维工程技术研究中心首席科学家叶裕章教授的带领下，
倾尽全力，
使得该项
目仅用一年的时间就在实验室试验获得成功。
2.
针状焦，
是制造高功率和超高功率电极的优质材料，
用针状焦制成的石墨电极具有耐
热冲击性能强、
机械强度高、氧化性能好、电极消耗低及允许的电流密度大等优点。目前生
煤基炭材料研究进展
为了合理选择、保管和使用固体炭质原料，一般会按其所含无机物杂志的多少，将其分 为少灰原料和多灰原料，少灰原料包括石焦油、沥青等，其灰分含量一般低于 1%；多灰原 料包括冶金焦、煤炭等，其灰分一般为 10%左右。
1.3 炭材料的基本生产工艺
炭材料的基本生产工艺流程如下图 1。主要包括炭质原料的预处理（预碎、煅烧或烘干）， 炭质原料的破碎、磨粉和筛分分级，炭质原料的配料，加入黏结剂并进行混捏，混捏后糊料 成型，成型生坯的焙烧，为提高炭材料的密度和强度，对焙烧坯进行高压浸渍和二次焙烧循 环密实化处理，焙烧品的石墨化。
前言
我国煤炭资源丰富且种类繁多，已探明可直接利用的煤炭储量 1886 亿吨，人均为 145 吨，按人均年消费煤炭 1.45 吨，可以保证开采上百年。煤炭含碳量高，在自然界中储量丰 富，价格低廉，因而以煤为主要元料制备的煤基炭材料已成为炭材料中的重要组成部分。煤 炭不仅是我国经济发展的能源基础，也将成为开发新型炭材料和复合材料的重要原料。高效 合理地利用我国西部地区的丰富煤炭资源对于实现国家西部大开发的战略目标具有不言而 喻的重要现实意义。
1.1 碳的存在形式和结构
碳在自然界分布十分广泛，以单质和化合物两种形态存在。在自然界中存在的碳单质有 金刚石、天然石墨和煤炭三种形态。碳的化合物数以万计，它是地球上形成化合物最多的元 素。碳的物理化学性质取决于其晶体结构，从晶体结构上讲，通常所说的炭材料都是以石墨 微晶为基础结构的，不过在各种炭材料中，微晶的尺寸和微晶的三维排列的有序程度有相当 大的差别。根据现代结构分析研究，证明无定形碳也是一种警惕，只是很小，属于微晶型碳， 无定形碳在适当的条件下有时可以转化为石墨，石墨在一定条件下可以转化为金刚石。
人类对煤基炭材料的使用从远古就已开始，并在使用过程中不断改进性能、创新品种。 到 21 世纪的今天，煤基炭材料已被广泛应用与化工、环保、冶金、机械、航空、航天和半 导体等领域，产品种类多，性质各异[2-4]。
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第10章 煤基材料
10.1 煤基材料基础
10.1.1 碳的存在形式
碳的元素符号为C，原子序数为6，相对原子质量是12.01，位 于元素周期表的第二周期IVA族，电子轨道结构为1s22s22p2，即 碳原子核电荷数为6，中性碳原子的核外电子数为6，碳原子的 价数有2价、3价或4价。
碳的单质存在形式:
无定形碳 卡宾
金刚石
石墨
富勒稀
10.1 煤基材料基础
10.1.2 煤基材料的特点
煤基材料的特点：
优良的机械性能 电导性 热传导性 化学稳定性
煤的特点：
➢煤主要由有机质组成，且煤有 机质主要由碳、氢、氮、氧和硫 五种元素组成，其中碳元素含量 最高，为煤中最主要的一种元素；
➢煤中富含芳烃，尤其是缩合芳 烃，有较高的芳香度和石墨化程 度；
➢活性炭孔径从10-1～104 nm。孔径r < 2 nm为微孔，2 nm < r < 50 nm为中孔，r > 50 nm为大孔。在高比表面积活性炭中，比表面积主 要由微孔来贡献，中大孔在吸附过程中主要起通道作用。
10.3 煤基活性炭材料
10.3.2 制备方法
➢物理活化法：将原料先炭化，再利用气体（水蒸气和二氧化碳等） 进行炭的氧化反应，形成众多微孔结构； ➢化学活化法：将原料与化学药品以一定比例混合、浸渍一段时间后， 在惰性气体保护下将炭化和活化同时进行的一种制备方式。 ➢催化活化法：在原料煤中加入一定量催化剂，然后加工成型，再经 过炭化和气体活化作用后制造出具有特殊性能的活性炭。 ➢其他活化法：界面活化法、模板法、凝胶炭化法、表面改性法等。
10.3 煤基活性炭材料
10.3.2 制备方法
物理活化法：
原料
研磨
炭化
活化 洗涤
干燥 活性炭
活化气 物理活化法主要工序是炭化和活化：体
炭化是指在较低温度（500℃左右）下，物料中煤焦油的挥发和煤及沥 青的热分解和固化的过程，即预先除去其中的挥发分，制成适合于下一步 活化用的炭化料。炭化过程分为400℃以下的一次分解反应、400℃~700℃ 的氧键断裂反应、700℃~1000℃的脱氧反应三个阶段。煤中的芳香族大分 子经过上述反应，形成三向网状结构的炭化料。
10.2 煤基高聚物合成单体
10.2.3 煤基高聚物合成单体的应用
通用芳香工程高聚物。主要有聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)，聚丁烯对苯二甲 酸酯(PBT)等。二甲苯是PET和PBT的重要单体，PET聚酯的强度高、韧性好、 耐磨，可用于制造轮胎、齿轮及建筑构件等，还可用于胶卷、磁带及软饮料 瓶的制造；PBT有优良的热性质和机械性质。 高温耐热塑料。主要有聚酰亚胺(PI)，聚亚胺砜(PIS)，聚苯并咪唑(PBI)和聚 酯(E-101)等。PI可耐400℃高温，可用于制备各种密封件、轴承、齿轮、活 塞、刹车制动装置等；PBI耐高温纤维，可用于生产安全手套、宇航服等。 液晶高聚物(LCP)。它是指某些高聚物在熔融状态或溶液状态时是液态晶体。 其强度较高，被用于宇航、电子、运输等领域。它还可制成现代最轻的18层 增强纤维防弹内衣。 功能高聚物。主要有高聚膜材料，离子交换树脂和膜材料，光导高聚物和缩 聚多核芳香树脂等。主要应用于工业中气、液混合物的分离及生物和医药部 门。如纯化水，血液分离，人造心脏、肾、心肺肌等。
以其质量轻、高强度、高熔点、低膨胀、耐腐蚀、导热、导电等优 点被广泛用于航空、航天、核工业、军工及诸多民用工业领域。
10.2 煤基高聚物合成单体
10.2.1 概述
➢煤液包括煤的液化产物、煤热解焦油、煤抽提液态产物及经过氧化、卤 化、解聚、水解、烷基化后的液态产物等。
➢煤液体是富含芳烃的物料，大约含有70%的芳烃。 ➢ 煤液的基本构成是1~4个环芳烃和酚类等混合物，这是石油与天然气所 不具备的。
10.2.2 制备方法
➢通过对煤液的分离可获得用于合成芳香高聚物的芳香单体。煤液的 分离可通过溶剂萃取、蒸馏、溶剂抽提、柱吸附等方法实现。其中， 常用的溶剂萃取有酸洗、碱洗等；柱吸附是采用离子交换树脂柱吸附 杂质组分。如何高效地实现分离、纯化、催化重整是煤液制备高聚物 合成单体的技术关键。
➢对煤分子进行适当的剪裁、切割和分离从而获得高分子单体。通过 向煤中引入某种化学试剂，使其可以选择性地解离煤分子中已知的几 个键或指定结构，从而实现煤分子的剪切和剥离。分子裁剪技术制备 高聚物合成单体的关键是煤分子的确切结构和选择性反应催化剂。
➢每一种煤液都是复杂的煤液体混合物，它由几十种到几百种有机化合物 组成。煤液的组成受煤种、煤的组成、加工工艺等的影响。
➢煤液体衍生物具有芳香结构特征，以它们为原料经过简单的工艺就可转 化为高附加值的新型材料。
➢煤液的获得可通过煤直接液化、煤间接液化、煤的热解及溶剂抽提等方 法实现。
10.2 煤基高聚物合成单体
➢煤中含有丰富的官能团结构，尤其 是含氧官能团；
➢煤的组成不均一，各物理性质不 尽相同；
➢础
10.1.3 煤基材料的发展与应用
20世纪30年代，德国的F.Fischer将褐煤与含酚12%的笨混合，混炼 压制成板材，这是最早应用反应性共混技术制备的聚合物/煤共混物 材料。20世纪70年代，前苏联Corlow E.G和Zummenov.S.R将煤作为活 性填料与各种聚合物共混制取了热塑性共混物材料，推动了煤/聚合 物共混材料的发展。1984年，Rohlfing等用短脉冲高功率的激光束在 超氮气流中蒸发石墨时发现了C60原子簇，从而打破了人们对于碳同 素异形体的固有概念；1991年，日本科学家Iijima发现了碳纳米管，碳 素材料进入新型碳时期。
10.3 煤基活性炭材料
10.3.1 概述
➢将煤在一定温度下炭化活化后的物质称为活性炭（active carbon， AC）。 ➢活性炭是一种含炭材料（含炭90%~95%），具有十分发达的内部 孔隙结构和巨大的内比表面积，外表具有特殊功能的官能团。
➢活性炭具有吸附能力强、化学稳定性好、机械强度高、使用失效 后易再生等特点。