發(fā)布時間：2020-05-12 04:37

【摘要】：煤焦油是煤炭熱加工轉(zhuǎn)化過程中的主要液態(tài)副產(chǎn)品,含有種類豐富的有機物和大量瀝青質(zhì)組分,是一種重要的化工資源。我國煉焦行業(yè)每年副產(chǎn)約2000萬噸煤焦油,如何有效地實現(xiàn)煤焦油的高附加值利用,為我國經(jīng)濟建設所用,是一個富有挑戰(zhàn)性的課題。本文圍繞煤焦油中的重要類別——高溫煤焦油的深加工之需求,研究開發(fā)了一種高溫煤焦油全餾段加氫新工藝,這一新工藝技術(shù)能夠制備得到優(yōu)良的碳材料前驅(qū)體——氫化瀝青和具有較高附加值的液體產(chǎn)品;探究了氫化瀝青的利用途徑,進一步制備得到高品質(zhì)中間相瀝青、瀝青基碳纖維和具有核殼結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)納米碳纖維。這些探索性工作,對高溫煤焦油的深加工利用有重要的參考價值。論文主要研究成果如下:根據(jù)高溫煤焦油的物性特點及產(chǎn)品要求,設計并制備出系列催化劑,將其應用到連續(xù)反應裝置中成功實現(xiàn)了高溫煤焦油全餾分催化加氫處理,得到高收率的輕質(zhì)油品和富含脂肪氫的改性瀝青。其中,輕質(zhì)油品可以直接作為調(diào)和油或航空燃油使用,也可經(jīng)深度處理制取高品質(zhì)汽/柴油或精細化學品等;所得氫化瀝青分子中含有豐富的烷基側(cè)鏈和環(huán)烷結(jié)構(gòu),同時保留了原分子中的芳環(huán)構(gòu)型,是一種優(yōu)良的碳材料前軀體。以所得氫化瀝青為前驅(qū)體合成出中間相瀝青,考察了不同氫化瀝青、熱處理方式和氣體吹掃方式對所得中間相瀝青性質(zhì)的影響;利用新中間相法合成出具有廣域中間相顯微結(jié)構(gòu)的合成瀝青,其中間相含量、軟化點和H/C等指標已接近或達到日本萘系中間相瀝青。進一步以該中間相瀝青為原料,采用熔融紡絲工藝制得瀝青基碳纖維,直徑為10.3μm,拉伸強度和拉伸模量分別達到1634 MPa和120 GPa,超過國內(nèi)同類產(chǎn)品,接近日本萘系碳纖維。以氫化瀝青和聚丙烯腈(PAN)為原料,利用靜電紡絲工藝,制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)納米碳纖維,并將其應用到染料敏化太陽能電池(DSSCs)、超級電容器(SCs)和鈉離子電池中(SIBs),研究了其作為電極材料的性能特點。在DSSCs中,電池光電轉(zhuǎn)化效率達到6.92%,超過了 Pt電極(6.34%)。以自支撐膜的形式(無導電劑和粘結(jié)劑)應用于SC和SIBs中,取得了優(yōu)良的電化學性能。于SCs中,1 A·g-4電流下具有220.7 F·g-1的比容量,10 A·g-4電流下仍能保有167 F·g-1的比容量,表現(xiàn)出良好的電化學性能及倍率性能。于SIBs中,0.1 A·g-1下比容量值達到408 mAh·g-1,1 A·g-1下保有236 mAh·g-1的比容量,同樣表現(xiàn)出優(yōu)良的電池性能。研究表明,由聚丙烯腈基硬碳構(gòu)成的殼層含有豐富的N、O雜原子、缺陷位和較大的層間距,能為電池提供充足的活性位點和離子存儲空間;而核纖維主要由瀝青基軟碳構(gòu)成,具有優(yōu)良的導電能力,可以有效降低電子傳輸損耗,提高電荷傳輸效率。這些特點使得該復合納米碳纖維成為一種優(yōu)良的電池電極材料。
【圖文】：

邐氫化煤瀝青基碳纖維的制備與性能研宄邐逡逑的碳材料被開發(fā)和使用。從史前的木炭到近代工業(yè)的人造石墨和炭黑，再到當代的原子逡逑爐用高純石墨和飛機用碳／碳復合材料剎車片，以及現(xiàn)今的鋰離子二次電池材料和核反應逡逑堆用第一壁材料等等，不勝枚舉。逡逑

爐用高純石墨和飛機用碳／碳復合材料剎車片，以及現(xiàn)今的鋰離子二次電池材料和核反應逡逑堆用第一壁材料等等，不勝枚舉。逡逑圖１．２不同碳材料的高倍電鏡照片：（ａ）石墨單晶、（ｂ）可石墨化碳材料和（ｃ）不逡逑可石墨化碳材料逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ：邋（ａ）逡逑ｓｉｎｇｌｅ－ｃｒｙｓｔａｌ邋ｇｒａｐｈｉｔｅ邋ｗｉｔｈ邋ｐａｒａｌｌｅｌ邋ｌａｙｅｒｓ，（ｂ）邋ａ邋ｐａｒｔｉａｌｌｙ邋ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｆｒｏｍ邋ＰＶＣ邋（１５７３逡逑Ｋ），邋（ｃ）邋ａ邋ｎｏｎ－ｇｒａｐｈｉｔｉｚａｂｌｅ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｆｒｏｍ邋ＰＶＤＣ邋（１０７３邋Ｋ）．逡逑碳材料的種類繁多，按照碳元素的雜化形式，可分為金剛石、石墨碳和卡賓碳。石逡逑墨類碳材料按結(jié)晶程度可分為石墨化和非石墨化碳材料；非石墨化碳材料按高溫下能否逡逑石墨化可分為難石墨化碳材料（硬炭）和易石墨化碳材料（軟炭）。此外，按照發(fā)展歷逡逑程，碳材料可分為傳統(tǒng)碳材料和新型碳材料；新型碳材料按結(jié)構(gòu)可分為零維的富勒烯及逡逑碳球、一維的碳納米管及準一維的碳纖維、二維的石墨烯及石墨炔等。石墨單晶是石墨逡逑化碳的典型代表：其中的碳原子都以雜化形成碳層，碳層間通過７１－７１分子間力以逡逑ＡＢＡＢ順序堆積而成，層間距為０．３３５４邋ｎｍ，表現(xiàn)出各向異性的理化性質(zhì)，如圖１．２ａ所逡逑示［５］。如前所述
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ522.65;TQ342.742

【參考文獻】

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本文編號：2659667