[发明专利]一种煤基活性碳纤维、其制备方法和应用

说明书

本发明属于煤化工及碳材料制备技术领域，更具体地，涉及一种煤基活性碳纤维、其制备方法和应用。将煤热溶萃取物与能够进行静电纺丝的聚合物充分混合，并溶解于有机溶剂中制成静电纺丝液；所述静电纺丝液经静电纺丝，制成纳米纺丝纤维后经过预氧化，得到预氧化后的纳米纺丝纤维；对所述预氧化后的纳米纺丝纤维进行碳化和气体活化，得到所述煤基活性碳纤维。活化纳米碳纤维作为一种柔性材料，自身具有高比表面积，并可直接用于超级电容器电极材料。本发明充分利用低阶煤热溶萃取处理过程中的高分子量萃取物制备活性碳纤维，实现了热溶萃取技术中萃取产物的综合利用，同时为低阶煤的高质化利用提供了一种新途径。

技术领域

本发明属于煤化工及碳材料制备技术领域，更具体地，涉及一种煤基活性碳纤维、其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器是一种介于电池和普通静电电容之间兼具两者特点的新型储能器件。其具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、免维护、使用温度范围宽等特点。目前广泛应用于电子信息、国防军工、交通运输等领域。其主要由电极、电解液、隔膜、集流体以及封装外壳组成。其中超级电容器的性能主要取决于电极的性能。按储能机理可分为双电层电容器以及赝电容电容器。双电层电容器主要依赖电极与电解质相界面形成的双电层来储能，而赝电容主要借助电极活性物在电极表面或者体相中的氧化还原反应来储能。相同条件下，双层电容的电容量相对较低，但是其循环寿命远高于赝电容，因此受到了研究者的广泛关注。

静电纺丝作为一种条件可控，步骤简单的连续制备纳米碳纤维的技术受到了广泛关注。静电纺丝制备的纳米碳纤维具有高比表面积，直径较细，良好的导电性等特点，同时它可以形成自支撑的柔性布结构。相比其他多孔碳材料，纳米碳纤维可以直接用作超级电容器的电极而无需添加导电剂与粘结剂。但是目前静电纺丝用原材料聚丙烯腈的价格较为昂贵，在一定程度上制约着这一技术的进一步发展。

低阶煤作为一种含水量较高，热值较低，热稳定性差的低品位能源在我国目前的煤炭储量中占比达到47％。同时低阶煤也是一种价格低廉，储量巨大的碳源，因此利用低阶煤制备活性碳纤维具有较好的应用前景。近年来，李显等提出的低阶煤多级提质分离技术(Li X et al.Preparation of High-Grade Carbonaceous Materials Having SimilarChemical and Physical Properties from Various Low-Rank Coals by DegradativeSolvent Extraction.EnergyFuels.2012,26(11):6897-6904)提供了一种对低阶煤采用热溶萃取技术进行预处理，从而获得高品质碳材料的方法。该方法主要是通过对低阶煤进行热溶萃取处理，将低阶煤分散在可循环使用的热溶剂中，随着温度的升高煤的大分子结构被破坏同时发生脱氧反应并萃取出煤中的芳香化合物。反应一定时间后根据产物在高温及常温下在溶剂中的溶解性进行逐级分离，分别获得高分子量萃取物、低分子量萃取物及热溶萃取残渣。目前低分子量萃取物可用于炼焦添加剂而热溶萃取残渣则可用于制备高比表面积活性炭。但关于高分子量萃取物的相关应用则较少。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种煤基活性碳纤维、其制备方法和应用，其通过将煤热溶萃取得到的高分子量萃取物与能够进行静电纺丝的高分子聚合物混合后溶于有机溶剂中，通过静电纺丝得到纳米纺丝纤维，然后依次进行预氧化、碳化和活化处理，制备得到活性碳纤维，用作超级电容器的电极，由此解决现有的采用单一的高分子量聚合物纺丝制备超级电容器电极存在的价格昂贵、比电容低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种煤热溶萃取物的应用，用作制备煤基活性碳纤维；其中，所述煤热溶萃取物与能够进行静电纺丝的聚合物混合后溶于有机溶剂中，依次通过静电纺丝、预氧化和活化后得到所述煤基活性碳纤维。

优选地，所述煤热溶萃取物为煤热溶萃取的高分子量萃取物，所述煤热溶萃取的高分子量萃取物的平均分子量不低于400且其固定碳含量不低于40％。