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由煤液化残渣自模板构筑杂化多孔炭及其电化学储能研究

批准号:
52100166
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李怡招
依托单位:
学科分类:
固废资源转化与安全处置
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李怡招

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
对产生量巨大的煤直接液化残渣(DCLR)进行高值转化与利用,是保护环境和拓展煤化工产业链亟需考虑的问题,但在由DCLR制备炭材料的研究中,对于Si、O、S元素的利用尚不充分。同时,多孔炭较低的能量密度和较复杂的制备方法极大地限制了它在超级电容器电极材料领域的应用。基于此,本项目提出“自模板耦合自掺杂”策略,以DCLR为原料,利用DCLR所含灰分作为模板和致孔剂,并通过限制热处理过程中O、S元素的消除,制备杂原子掺杂分级多孔炭,实现具有优异电化学性能的炭电极材料的简便构筑。具体研究制备条件对多孔炭结构与储能性能的影响规律,解决多种孔型同时创制与杂原子有效掺杂的关键问题,探索DCLR各成分对炭材料微观结构的影响机制,完成DCLR所含主要元素C、Si、O、S的充分利用,构筑兼具高功率密度与高能量密度的掺杂型多孔炭电极材料,为大宗工业固废DCLR的高附加值转化利用和高性能储能材料的开发提供新思路。
英文摘要
It is meaningful for the utilization of direct coal liquefaction residue (DCLR) in view of the resource conservation and economy. However, elements in DCLR such as Si, O, and S, have not been fully used during preparation of carbon materials from DCLR. Meanwhile, hierarchical porous carbons used as electrode materials for supercapacitor are greatly limited by their low energy density and complicated preparation. Herein, O and S co-doped hierarchical porous carbons will be prepared by a “self-templated plus self-doped” strategy from DCLR, because ashes in DCLR will be used as templates. The electrode materials with excellent properties will be simply acquired. The rule of synthesis conditions on the structure and properties of porous carbons in energy storage will be revealed. The project will solve the key problems in simultaneous fabrication of porous structure and efficient doping for carbon materials. The influence mechanism of components in DCLR on structure of carbon materials will be investigated. The doped porous carbons with high power and energy density will be prepared from DCLR by making full use of C, Si, O, and S. The project will provide a new idea for the development of good materials for energy storage as well as the high value-added conversion and utilization of DCLR.
为了实现对大宗工业固废煤直接液化残渣(CLR)的充分与高值化利用,本项目基于“自模板耦合自掺杂”策略,以CLR为原料,利用其所含灰分作为模板和致孔剂,并通过限制热处理过程中氧元素等的消除,制备杂原子掺杂分级多孔炭,实现具有优异电化学超级电容器性能的炭电极材料的简便构筑。主要研究结果如下:(1)灰分自模板效应研究。对CLR进行定向脱灰处理,并以脱灰后的炭点(CDs)作为构建基元,通过热缩聚反应与炭化、活化处理获得高致密度多孔炭(DPC)材料。研究脱灰时间、热处理条件对CDs和DPC尺寸、形貌、孔结构的影响,并考察所得炭材料用作超级电容器电极的储能性能,揭示炭电极材料结构对比容量、倍率、循环稳定性的影响规律。同时,与未经脱灰处理所得炭材料进行对比,阐明灰分自模板策略对多孔炭材料的设计构筑机制。(2)氧原子自掺杂效应研究。在自模板策略制备多孔炭的基础上,以CLR作为原料,通过梯级热处理,限制氧原子消除,获得氧掺杂多孔炭。研究热处理过程中温度变化对多孔炭材料表面性质、氧原子构型、氧原子掺杂量的影响,并考察所得多孔炭用作超级电容器电极材料的储能性能,揭示多孔炭材料结构对比容量、倍率、循环稳定性的影响规律。同时,结合密度泛函理论模拟计算揭示了所掺杂氧原子对不同类型电解质吸附与促进电子传输的作用机理。(3)硫掺杂研究。考察硫原子掺杂是否会提升炭材料的电化学性能。以CLR提取的沥青质作为原料,并与硫粉混合,通过炭化、活化获得硫掺杂多孔炭,研究了所得材料用作超级电容器电极的储能性能。本项目为大宗工业固废CLR的高附加值转化利用和高性能储能材料的开发提供了新思路。执行期间申请国家发明专利1件、授权国家发明专利1件,共发表学术论文17篇,参加国内学术会议2次并作报告,培养硕士研究生5名。
铁基煤直接液化催化剂的原位固相合成及性能研究
  • 批准号:
    21766036
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    39.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    李怡招
  • 依托单位:
国内基金
海外基金