焦化行業(yè)產(chǎn)生大量低值的煤瀝青副產(chǎn)品，如何使其高附加值化一直是各方關(guān)注的焦點，利用其灰分低、殘?zhí)柯矢叩忍攸c而制備的多孔電極炭，可用于電化學(xué)儲能等新興能源領(lǐng)域。然而煤瀝青高溫成炭過程中需經(jīng)歷液相炭化，故對其微觀形貌和孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控極其困難，加之稠環(huán)分子的反應(yīng)惰性又使其炭產(chǎn)品表面化學(xué)性質(zhì)難以裁剪。

近年來，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所702課題組研究員李開喜及其帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊，通過對瀝青分子精準(zhǔn)設(shè)計，無模板構(gòu)筑了一系列納米結(jié)構(gòu)電極材料（圖1），組裝了高性能柔性全固態(tài)電容器和非對稱電容器，實現(xiàn)其能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性的顯著提升，且交聯(lián)自組裝策略還成功應(yīng)用于瀝青基球狀活性炭生產(chǎn)線上，取得了基礎(chǔ)和應(yīng)用雙突破。

對煤瀝青組成的精細(xì)化認(rèn)識是其高效利用的前提，通過構(gòu)建合適的溶劑體系將其切割為組成結(jié)構(gòu)相近的各族組成，依據(jù)瀝青中喹啉可溶物族組分的分子特點，經(jīng)磺化改性和常規(guī)活化后構(gòu)筑了面向全固態(tài)的超級電容器應(yīng)用的納米層狀炭（JournalofMaterialsChemistryA,2017,5(30):15869-15878；Fuel,2019,242:184-194）。隨后，基于輕質(zhì)族組分自發(fā)泡原理，實現(xiàn)蜂窩狀多孔炭形貌和中孔比例的調(diào)控，顯著增益其內(nèi)部電解液傳質(zhì)和表界面活性位點暴露效果（ACSSustainableChemistryampEngineering,2018,7(2):2116-2126）。為精準(zhǔn)調(diào)控稠環(huán)分子間距，采用氧化交聯(lián)的方法接枝大量懸鍵，并以此為抓手促進(jìn)分子可控自組裝，實現(xiàn)納米層狀炭微觀形貌和2~5nm孔隙結(jié)構(gòu)的同步控制，進(jìn)一步提高其電化學(xué)儲能性質(zhì)（JournalofPowerSources,2019:227446）。鑒于表面化學(xué)性質(zhì)的定向設(shè)計和優(yōu)化可有效改善炭材料電子特性和化學(xué)性質(zhì)（ACSAppliedMaterialsampInterfaces,2019,11(14):13214-13224），通過自由基誘導(dǎo)瀝青分子聚合以及在炭骨架結(jié)構(gòu)中摻雜異原子，制備了N/S功能化堆疊式炭納米片（圖2）。組裝的非對稱全固態(tài)超級電容器在電流密度1Ag-1時比電容為458Fg-1，其體積能量密度可達(dá)27WhL-1，功率密度為296WL-1，在2萬次循環(huán)后容量衰減率僅為5.9%（圖3），非常適合狹窄空間應(yīng)用場景（EnergyStorageMaterials,2020,26:119-128）。

以上工作提出的煤瀝青基納米多孔炭材料的構(gòu)筑策略，為探索大規(guī)模電化學(xué)儲能電極材料的低成本制備開辟了新的視野，并得到國家自然科學(xué)-山西省低碳聯(lián)合重點基金、山西省自然科學(xué)基金和山西省煤基重點科技攻關(guān)項目的支持。

圖1從煤瀝青出發(fā)制備高性能電容炭示意圖

圖2層堆疊納米炭材料微觀形貌和表面元素XPS、mapping分析

圖3電化學(xué)性能表征