[发明专利]一种煤焦油沥青改性高比表面多孔碳的制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种煤焦油沥青改性高比表面积多孔碳制备方法，将硝酸钴溶于去离子水中，搅拌加入氨水；加入煤焦油沥青一步活化后的沥青基活性炭，搅拌均匀；将混合物进行水热反应，离心分离；将所得固体洗涤并离心分离，干燥后研磨；将研磨后的固体粉末在惰性气体环境中用管式炉进行煅烧，得到煤焦油沥青改性高比表面积多孔碳。本发明还提供了一种利用煤焦油沥青改性高比表面积多孔碳制备燃料电池用膜电极结合体的方法。本发明制得的多孔碳具有高比表面积和多孔结构，有利于氧气等物质的传递，极大减少了对贵金属Pt的依赖；制备原料为廉价的煤焦油沥青，制备改性方法简单，操作方便，成本低廉，绿色环保，适合于工业化生产。

技术领域

本发明涉及燃料电池电化学还原催化剂及其制备和应用技术领域，特别涉及一种煤焦油沥青改性高比表面积多孔碳制备方法及其蓄能应用。

背景技术

我国钢铁工业体量巨大，2014年焦炭产量占世界总产量的50％以上。煤焦油是焦炭生产过程中的主要副产物，是由近万种稠环芳烃化合物组成的复杂混合物。由于高芳香性、高缩合度和高毒性的特点，现有煤焦油加工技术集成度不高、加工过程粗放、产品价值低、对生态环境破坏严重，主要通过蒸馏等手段获得轻油、萘油、洗油、蒽油及煤沥青等产品，其中煤焦油沥青(煤焦油蒸馏后重质残余物)占煤焦油总量的55％(质量分数)以上，基本上没有得到高效利用，没有体现和发挥其重要的价值。缺乏煤沥青高效高附加值利用的技术，已成为制约焦化行业可持续发展的瓶颈问题之一。煤焦油沥青是由稠环芳烃组成的复杂混合物。与石油沥青相比，煤焦油沥青具有分子量低、芳香度和聚合度高、碳含量高、杂原子及金属含量相对较低等特点，是一种合成功能碳材料的优质前体。对煤焦油沥青化学组成与分子结构合理设计，以煤焦油沥青分子为基本结构单元构筑功能性碳材料有望成为煤焦油沥青高附加值利用的重要途径之一[Chemical Industry and EngineeringProgress 35，1805-1811(2016)]。

多孔碳材料不仅具有碳材料化学稳定高、导电性好等优点，由于多孔结构的引入，还具有比表面积高、孔道结构丰富、孔径可调等特点，在催化、吸附和电化学储能等方面都得到了广泛的应用[Progress in Chemistry 24，263-273(2012)]。以煤焦油沥青为原料合成多孔碳材料有利于提高材料的石墨化程度和经济性。活性炭是通过物理或化学活化技术制备的一种多孔碳材料，也是现今应用最成功的碳材料之一。由煤焦油沥青制备的活性炭具有高的活化碳收率、高导电性和较大的比表面积等特点，因而煤焦油沥青是一种适宜的活性炭前体。可以通过对煤焦油沥青改性，实现其成为在催化、吸附和电化学储能等方面都得到了广泛的应用的多孔碳材料。

然而，煤沥青组成复杂、分子芳香性和缩合度高、热稳定性差等特点阻碍了碳材料结构的精确调控，限制了碳材料的应用范围。通过催化聚合、预氧化、共热解等手段调变煤沥青化学组成与分子结构，结合模板复制、物理/化学活化、界面诱导以及催化石墨化等技术实现多种功能性碳材料结构设计与表面化学性质调控。煤沥青基碳材料在储能、多相催化、吸附分离以及电磁屏蔽等领域显示出巨大的应用潜力。以煤沥青为原料合成功能碳材料的工作尚有许多有待解决的问题，从经济和技术的层面提高煤沥青高附加值利用的可行性，将是今后解决能源危机、保护环境等方面研究的重要课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何以煤焦油沥青为原料合成功能碳材料。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种煤焦油沥青改性高比表面积多孔碳制备方法，其特征在于，步骤为：

步骤1：将硝酸钴溶于去离子水中，搅拌加入氨水；加入煤焦油沥青一步活化后的沥青基活性炭，搅拌均匀；将混合物进行水热反应，离心分离；将所得固体洗涤并离心分离，干燥后研磨；

步骤2：将研磨后的固体粉末在惰性气体环境中用管式炉进行煅烧，得到煤焦油沥青改性高比表面积多孔碳。

优选地，所述步骤1中，硝酸钴和煤焦油沥青一步活化后的沥青基活性炭的质量比例为1∶8～4∶1。