第十章 煤基炭素材料

煤沥青基功能碳材料的制备1. 引言1.1 煤沥青基功能碳材料的重要性煤沥青基功能碳材料是一种具有广泛应用前景的新型材料，在能源存储、环境治理、电化学传感等领域具有重要意义。

煤沥青资源丰富，且价格相对较低，可以作为制备碳材料的廉价原料，有利于降低材料制备成本，提高材料的可持续性和竞争力。

煤沥青基功能碳材料具有优异的物理化学性能，如高比表面积、优良的导电性能、化学稳定性和可控的表面功能化能力，可满足不同应用领域对材料性能的要求。

煤沥青基功能碳材料的制备过程相对简单，易于操作，具有较高的可控性和可重复性，有利于扩大应用范围和规模化生产。

煤沥青基功能碳材料的研究与制备具有重要的意义和价值，将为材料科学领域的发展提供新的思路和技术支持。

1.2 制备煤沥青基功能碳材料的动机制备煤沥青基功能碳材料的动机主要包括以下几个方面：煤沥青是一种丰富的资源，在我国具有较大的储量和开发潜力，因此利用煤沥青作为原料制备功能碳材料具有经济价值和战略意义。

功能碳材料在能源存储、环境治理、电化学传感等领域具有重要的应用价值，而煤沥青基功能碳材料能够增加材料的多功能性和降低制备成本，具有广阔的市场前景。

煤沥青基功能碳材料的制备还可以有效利用煤炭资源，促进资源综合利用和循环经济发展。

煤沥青基功能碳材料的制备不仅可以满足材料需求，还能够推动我国煤炭资源的高值化利用和产业结构的优化升级，是具有重要意义和巨大潜力的研究方向。

2. 正文2.1 煤沥青基功能碳材料的制备方法煤沥青基功能碳材料的制备方法主要包括物理方法和化学方法两种。

物理方法通常包括炭化、活化和加工改性等步骤。

炭化是将含碳原料在高温下缓慢加热，使之发生结晶胶过渡到石墨的过程，得到初步的煤沥青基碳材料。

而活化是在炭化过程中向碳材料中引入气体活化剂，如气氛中CO2、H2O等，开发孔隙结构，提高比表面积和孔容，增强其吸附性能。

加工改性则是通过物理或化学方法对制备的碳材料进行改性，以增强其特定功能或性能。

10煤制化学品与高碳物料目录10煤制化学品与高碳物料 (1)10.1煤液体与煤制高聚物 (1)10.2煤制塑料 (4)10.3煤制洁净燃料 (5)10.3.1水煤浆 (5)10.3.2超纯煤 (6)10.4 煤制高碳物料 (6)10.4.1煤沥青基炭纤维 (7)10.4.2 中间相炭微珠 (9)10.5煤制活性材料 (10)10.5.1煤制活性炭 (10)10.5.2煤制炭分子筛 (12)煤炭不仅是一种重要的能源，而且也是一种重要的有机化工原料和高炭物料的重要原料。

90年代以来，随着"洁净空气法"的实施及环保呼声与压力的不断高涨，促进了“洁净燃料”的研究与应用，以便减少煤灰尘、SO x、NO x和CO2等污染物的排放。

而将煤炭这种复杂的碳氢化合物转化为洁净的二次能源及非燃料利用，是煤的高效利用和减轻煤炭对环境污染的最佳途径。

1993年9月在美国匹兹堡召开了第10届国际煤炭会议，大会惟一的发言题目是，煤作为化工原料的进展与前景。

这预示着人们对煤认识观念的转变和近年来煤作为由燃料到原料和材料的深层次开发和进展。

利用煤的芳烃结构、高碳含量和多孔性，由煤及煤液制取高附加值的特殊制品和高碳材料：诸如由煤制取芳烃单体，合成芳香工程塑料，高温耐热塑料，液晶高聚物，功能高聚物，碳/碳复合材料，炭纤维及其他炭素材料。

这些高性能、高附加值的新产品将给煤炭利用带来历史性的转折、希望与机遇，并且将形成煤化学学科的新分支。

本章主要介绍煤液与煤制高聚物，煤制塑料，煤制洁净燃料，煤制高碳物科与活性材料。

10.1煤液体与煤制高聚物广义上，煤通过不同加工工艺转化所得的液态产物都可称为煤液体。

煤液包括煤的加氢液化所得的液态产物，煤在不同温度和条件下热解所得的焦油，煤抽提的抽出物，煤在氧化、卤化、解聚、水解、烷基化等过程所得的液态产物。

而作为煤的液化方法，一般认为包括:(1)除碳，煤的热解和溶剂萃取法，使碳残留在热解或辈取残渣中；(2)加氢液化，包括直接或间接加氢和加或不加催化剂的加氢液化方法;(3)间接液化，煤先气化得煤气，再用F-T或其他合成法制得液态产物。

煤沥青基功能碳材料的制备1. 引言1.1 背景介绍煤沥青基功能碳材料的制备方法日益多样，包括炭化、活化、石墨化等技术，在不同条件下可以得到具有不同结构和性质的碳材料。

这些碳材料具有优异的导电性、储能性能和催化性能，可以应用于储能装置、传感器、催化剂等领域，对于推动能源转型和环境保护具有重要意义。

目前煤沥青基功能碳材料的研究还处于起步阶段，存在着制备工艺不够成熟、性能不够稳定等问题，需要进一步加强研究。

深入了解煤沥青基功能碳材料的制备方法、性质及其应用领域，对于开发高性能碳材料具有重要意义。

1.2 研究意义煤沥青基功能碳材料的制备是当前碳材料研究领域的热点之一。

这种材料具有独特的结构和性能，在能源和环境领域有着广泛的应用前景。

通过制备不同种类的煤沥青基功能碳材料，可以实现对材料性能的调控，以满足不同领域的需求。

研究煤沥青基功能碳材料的制备方法和性质，不仅有助于深入了解碳材料的结构与性能之间的关系，还可以为碳材料在能源存储、电化学传感和环境治理等领域的应用提供重要参考。

对煤沥青基功能碳材料的研究具有重要的意义，可以丰富碳材料的种类，拓展其应用领域，推动材料科学与工程领域的发展。

随着相关技术的不断进步和研究工作的深入开展，煤沥青基功能碳材料必将在未来取得更大的突破和应用上的成功。

2. 正文2.1 煤沥青基功能碳材料的制备方法煤沥青基功能碳材料的制备方法主要包括化学氧化法、物理活化法和化学活化法等几种常见方法。

化学氧化法是将煤沥青与氧化剂如硝酸、过氧化氢等进行氧化反应，生成含氧官能团的碳材料。

这种方法制备的碳材料具有较高的比表面积和孔隙结构，适用于吸附分离等领域。

物理活化法是通过高温或化学气相沉积等方法，在煤沥青中引入碳纳米管或石墨烯等结构，从而提高碳材料的导电性和机械性能。

化学活化法是将煤沥青经过化学处理后，引入氧、氮等掺杂元素，提高碳材料的化学活性和电化学性能。

这些制备方法都具有各自的优势和适用范围，能够满足不同领域对煤沥青基功能碳材料的需求。

煤新碳基新材料
煤新碳基新材料是一种以煤为原料制备的新型碳基材料，主要包括石墨烯、碳纳米管、碳纤维等。

这些材料具有优异的物理、化学和机械性能，广泛应用于能源、环保、电子信息等领域。

1. 石墨烯：石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有高导电性、高导热性、高强度等优点。

由于其独特的性质，石墨烯在电池、传感器、电子器件等领域有广泛的应用前景。

2. 碳纳米管：碳纳米管是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管状材料，具有极高的力学性能和电学性能。

碳纳米管在复合材料、电池、传感器等领域有广泛的应用。

3. 碳纤维：碳纤维是由聚丙烯腈、粘胶等纤维在高温下裂解制备而成的一种高性能纤维，具有高强度、高模量、低密度等特点。

碳纤维在航空航天、汽车、体育器材等领域有广泛应用。

煤新碳基新材料的发展对于推动我国能源和战略性新兴产业发展具有重要意义。

我国政府正在加大对煤新碳基新材料研发和产业化的支持力度，推动相关产业快速发展。

2 炭素生产用原材料生产炭和石墨材料的原料都是炭素原料。

由于来源和生产工艺的不同，其化学结构、形态特征及理化性能均存在很大差异。

按照物态来分类，它们可以分为固体原料（即骨料）和液体原料（即粘结剂和浸渍剂）。

其中，固体原料按其无机杂质含量的多少又可以分为多灰原料和少灰原料。

少灰原料的灰分一般小于1％，例如石油焦、沥青焦等。

多灰原料的灰分一般为10％左右，如冶金焦、无烟煤等。

此外，生产中的返回料如石墨碎等也可作为固体原料。

由于各种原料的作用和使用范围不同，对它们也有不同的质量要求。

在炭素生产中还使用石英砂等作为辅助材料。

2.1 固体原料（骨料）骨料的种类、制造方法及主要特征和用途归纳于表2-1。

石油焦的来源石油焦是各种石油渣油、石油沥青或重质油经焦化而得到的固体产物。

由于焦化的方式不同，石油焦可分为延迟焦和釜式焦。

目前，石油行业生产的是延迟焦，釜式焦已被淘汰。

延迟焦化是将原料油经深度热裂化转化为气体烃类，轻、中质馏分油及焦炭的加工过程。

其原料一般是深度脱盐后的原油经减压蒸馏所得的渣油。

有时还在减压渣油中配有一定比例的热裂化渣油或页岩油。

石油焦的质量主要取决于渣油的性质，同时也受焦化条件的影响，我国几种主要减压渣油及其所产石油焦的性质列于表2-2。

表2-2 几种主要减压渣油及其石油焦的性质延迟焦化的主体设备由两座直径5.4m的焦炭塔和一座直径3.2m的分馏塔组成。

原料渣油首先与分馏塔馏出的馏分气进行间接换热，然后经加热炉加热到500±10℃，此温度已达到渣油的热解温度，但由于油料在炉管中具有较高的流速（冷油流速达1.4-2.2m/s），来不及反应就离开了加热炉，使焦化反应延迟到焦炭塔中进行，故这种焦化工艺称为延迟焦化。

随着油料的进入，焦炭塔中焦层不断增高，直到达到规定的高度为止。

生产中，一个焦炭塔进行反应充焦，另一个已充焦的焦炭塔经吹蒸汽与水冷后，用10-12Mpa的高压水通过水龙带从一个可以升降的焦炭切割器喷出，把焦炭塔内的焦炭切碎，使之与水一起由塔底流入焦炭池中。

炭素材料分类
炭素材料可以分为以下几类：
1、石墨制品：以天然鳞片石墨为主要原料，用鳞片石墨经化学提纯加工制成的高纯石墨，称为高纯石墨或超纯石墨。

它是一种良好的非金属材料，主要用于制备石墨电极、石墨化工机械、机械密封材料、石墨高炉等。

2、炭块：以煤沥青为主要原料，在高温下加热成型后冷却制成的块状固体材料。

主要用于炼铁高炉的炉衬、炉喉、炉缸等部位。

3、炭电极：以石油焦、沥青焦为主要原料，并添加沥青、酚醛树脂等粘结剂经过成型、焙烧、石墨化等工序制成的电极产品。

主要应用于直流电弧炉或矿热电炉炼铁，同时也可作为铝、锌、铜等有色金属电解槽的阴极材料。

4、炭糊类：以石油焦、沥青焦为主要原料，并添加粘结剂混合后成浆，经过加热、固化而成的糊状固体材料。

主要用于制备各种类型的导电糊和石墨化糊。

5、特种石墨制品：采用优质高纯度石墨，经过精密加工制成的具有特殊性能的石墨制品。

主要用于制造高纯度石墨坩埚、石墨管材、石墨热交换器等。

此外，炭素材料还可以按照生产工艺分为炭砖类、炭块类、炭糊类和石墨制品类等；按照用途可以分为炼钢用炭素材料、炼铁用炭素材料、有色金属用炭素材料和电化学用炭素材料等。

第十章炭素制品第二节碳素制品产品分类一、炭和石墨制品(一）石墨电极类（二）石墨阳极类（三）特种石墨类（四）石墨热交换器（五）炭电极类（六）炭块类（七）炭糊类（八）非标准炭、石墨制品类（九）不透性石墨类（十）电炭产品类二、炭素纤维第三节炭素制品产量统计第四节炭素制品主要技术经济指标计算方法一、炭素制品质量指标（一）普通功率石墨电极优级品率（二）石墨阳极一级品率（三）炭素压型制品总成品率（四）炭素压型制品工序成品率二、炭素制品物料消耗指标（一）炭素制品原料消耗（二）炭素制品单位综合能耗（三）炭素制品综合电力单耗（四）炭素制品石墨化工艺电单耗三、炭素工人实物劳动生产率四、炭素企业主要设备生产能力指标（一）煅烧炉（窑）有效容积小时产量（二）煅烧炉（窑）日历作业率（三）千吨挤压机小时产量（四）挤压机日历作业率（五）千立方米焙烧炉日产量（六）石墨化炉用变压器利用系数（七）石墨化炉用变压器作业率第二节碳素制品产品分类炭素制品按产品用途可分为石墨电极类、炭块类、石墨阳极类、炭电极类、糊类、电炭类、炭素纤维类、特种石墨类、石墨热交换器类等。

石墨电极类根据允许使用电流密度大小，可分为普通功率石墨电极。

高功率电极、超高功率电极。

炭块按用途可分为高炉炭块、铝用炭块、电炉块等。

炭素制品按加工深度高低可分为炭制品、石墨制品、炭纤维和石墨纤维等。

炭素制品按原料和生产工艺不同，可分为石墨制品、炭制品、炭素纤维、特种石墨制品等。

炭素制品按其所含灰分大小，又可分为多灰制品和少灰制品（含灰分低于l％）。

我国炭素制品的国家技术标准和部颁技术标准是按产品不同的用途和不同的生产工艺过程进行分类的。

这种分类方法，基本上反映了产品的不同用途和不同生产过程，也便于进行核算，因此其计算方法也采用这种分类标准。

下面介绍炭素制品的分类及说明。

一、炭和石墨制品(一）石墨电极类主要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。

煤基碳材料
煤基碳材料是一种由煤炭作为原料制备的碳材料。

煤基碳材料具
有独特的结构和性质，可以在高温、高压、强酸碱等恶劣环境下稳定
存在。

煤基碳材料可以通过多种方法制备，主要包括炭化和活化两种。

炭化是将煤炭在高温条件下进行热解，得到高碳含量的碳材料。

而活
化是在炭化的基础上进一步处理，通过化学方法或物理方法使其具有
更大的比表面积和更好的孔隙结构。

煤基碳材料具有以下优点：
1. 较高的热稳定性和化学稳定性，能够在高温和恶劣环境下稳定存在；
2. 具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，有良好的吸附性能和催化
活性；
3. 可以通过改变煤炭的来源和处理方法，制备出不同性质的碳材料，
具有较大的可调性和多样性。

煤基碳材料在能源、环境、催化等领域有广泛的应用。

例如，煤
基活性炭可用于废水处理、空气净化、气体吸附等环境领域；煤基催
化剂可用于催化反应和化学合成；煤基炭材料还可以用作电池材料、
超级电容器电极材料、电导材料等电子领域应用。

总的来说，煤基碳材料由于其独特的结构和性质，在能源、环境
和电子等领域具有广泛的应用前景。

煤基碳材料产业链煤基碳材料产业链是指以煤炭资源为原料，通过一系列的加工和生产工艺，最终生产出碳纤维、石墨等高附加值的碳材料产品。

煤基碳材料产业链在我国的发展已经有着较长的历史，随着科技的不断发展和碳中和的倡导，煤基碳材料产业链也逐渐受到了重视。

煤基碳材料产业链的发展，既是我国煤炭资源优势的体现，也是我国产业升级的重要方向。

我们国家有着丰富的煤炭资源储备，利用这些资源开发生产高附加值的碳材料，将为我国经济增长提供新的动力和支撑。

同时，煤基碳材料产业链的发展也能够促进环境保护，减少煤炭资源的过度开采和燃烧，推动我国向碳中和的目标迈进。

在煤基碳材料产业链中，煤炭资源的选择和开采是首要的一环。

我国煤炭资源分布广泛，类型多样，因此在选择煤炭资源时需要根据需要的碳材料产品来确定适合的煤种。

例如，对于生产石墨的碳材料，需要选择含石墨矿物质较多的煤种，而对于生产碳纤维的碳材料，则需要选择含纤维素较多的煤种。

在煤炭资源的选择上，要充分利用我国的资源优势，确保碳材料生产的稳定供应。

煤基碳材料产业链的加工和生产环节也是十分关键的。

在传统的碳材料生产过程中，一般包括煤炭的煤化转化、碳化和石墨化三个阶段。

煤炭的煤化转化是指将煤炭通过煤炭质心蒸馏或气化，获取具有较高含碳量的煤焦油或焦炭等初级产品。

碳化阶段是将煤焦油或焦炭进行高温裂解或热解，得到碳素材料的中间产物。

最后的石墨化阶段是通过加热和后处理等工艺，将中间产物转化为最终的碳材料产品。

随着科技的不断进步，煤基碳材料产业链中的加工和生产工艺也在不断创新和完善。

例如，利用化学气相沉积、溶胶-凝胶法、气凝胶法等先进技术，可以实现对碳材料的精密控制和定向设计，生产出性能更好的碳材料产品。

此外，煤基碳材料产业链还可以与其他产业链进行深度融合，如与新能源、新材料等产业链共同发展，推动产业升级和新型产业的形成。

除了煤基碳材料产业链的产业发展，人才培养和技术创新也是至关重要的。

在煤基碳材料产业链中，需要掌握煤炭资源勘探和开采技术、碳材料加工和生产技术、碳材料性能测试和评价技术等一系列专业知识和技能。

煤基碳材料教学大纲煤基碳材料教学大纲煤基碳材料是一种重要的碳材料，在现代工业中具有广泛的应用。

为了更好地培养学生对煤基碳材料的认识和应用能力，制定一份科学合理的教学大纲是非常必要的。

本文将从煤基碳材料的基本概念、制备方法、物理性质以及应用领域等方面进行论述，旨在为煤基碳材料教学大纲的制定提供一些参考。

一、煤基碳材料的基本概念煤基碳材料是指以煤作为原料制备的碳材料。

煤是一种含碳量较高的有机物质，经过一系列的加工和热处理过程，可以得到不同形态和性质的碳材料。

煤基碳材料具有丰富的资源、低成本、可再生等优点，因此在能源、材料、环境等领域具有广泛的应用前景。

二、煤基碳材料的制备方法煤基碳材料的制备方法主要包括热解、炭化和活化等过程。

热解是指在高温下将煤进行分解，生成固体碳和气体产物的过程。

炭化是指将煤在高温下加热，使其发生热解反应，生成高纯度的炭素材料。

活化是指利用化学试剂对炭素材料进行处理，增加其孔隙结构和比表面积，提高其吸附性能和催化活性。

三、煤基碳材料的物理性质煤基碳材料具有多孔性、导电性、热稳定性和化学稳定性等特点。

其中，多孔性是煤基碳材料的重要性能之一，决定了其吸附性能和催化活性。

导电性是指煤基碳材料具有良好的电导性能，可以应用于电化学和电子器件领域。

热稳定性和化学稳定性是指煤基碳材料在高温和化学环境下的稳定性能，决定了其在高温反应和腐蚀环境下的应用能力。

四、煤基碳材料的应用领域煤基碳材料在能源、材料和环境领域具有广泛的应用。

在能源领域，煤基碳材料可以应用于燃料电池、超级电容器和锂离子电池等能源装置中，提高能量转化效率和储能性能。

在材料领域，煤基碳材料可以用于制备高性能的电极材料、催化剂和吸附剂等，具有重要的应用价值。

在环境领域，煤基碳材料可以应用于废水处理、废气净化和土壤修复等环境治理技术中，具有良好的吸附和催化性能。

综上所述，煤基碳材料教学大纲应包括煤基碳材料的基本概念、制备方法、物理性质以及应用领域等内容。