近日，中國科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任宋燕研究員團(tuán)隊(duì)在柔性多孔納米炭纖維無紡布制備及應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面取得多項(xiàng)重要進(jìn)展。成果論文已發(fā)表于《美國化學(xué)會可持續(xù)化學(xué)與工程》《能源與燃料》等雜志。
　　自2011年起，宋燕團(tuán)隊(duì)就開展柔性納米炭纖維無紡布的制備及結(jié)構(gòu)調(diào)控，利用靜電紡絲、固化和炭化處理，成功制備出多孔納米炭纖維無紡布，這也成為他們工作的一大特色。而從煤直接液化殘?jiān)蛘呙航褂蜌堅(jiān)疵簽r青）中生產(chǎn)高附加值的柔性納米炭纖維無紡布，更是該團(tuán)隊(duì)的一個(gè)獨(dú)創(chuàng)成果。
　　多孔納米炭纖維無紡布制備技術(shù)難度較大，產(chǎn)業(yè)界對成本的要求也較高?！八麄儸F(xiàn)在基礎(chǔ)研究的水平，基本上和國際是同步的?！比A東理工大學(xué)教授凌立成對《中國科學(xué)報(bào)》評價(jià)道。
　　一則報(bào)道帶來的啟示
　　在宋燕看來，當(dāng)初選擇從事煤直接液化殘?jiān)苽淙嵝远嗫准{米炭纖維無紡布的工作，是個(gè)偶然事件。當(dāng)年，一則報(bào)道給了她極大的啟發(fā)。
　　原神華集團(tuán)（現(xiàn)更名為國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司）建設(shè)了百萬噸級的煤直接液化示范工程。該項(xiàng)目每產(chǎn)出100萬噸油品，伴隨生成70萬噸左右的煤直接液化殘?jiān)?，而煤直接液化殘?jiān)鋵?shí)是一種危廢品。
　　該報(bào)道讓宋燕眼前一亮。她調(diào)研文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，煤直接液化殘?jiān)Ｒ姷奶幚矸绞骄褪呛兔赫{(diào)配成水煤漿作為汽化爐的燃料，或者送入電廠進(jìn)行摻燒。但是，這種方式并沒有將煤直接液化殘?jiān)械母吒郊又禎摿φ嬲l(fā)揮出來。
　　因?yàn)槊褐苯右夯瘹堅(jiān)ㄖ刭|(zhì)油、瀝青烯、前瀝青烯以及更高分子量的稠環(huán)芳烴和殘?jiān)òㄎ捶磻?yīng)的煤和礦物質(zhì)）等物質(zhì)，而其中瀝青烯和前瀝青烯是生產(chǎn)各種炭材料的優(yōu)良前驅(qū)體。
　　宋燕繼而想到，如果能對煤液化殘?jiān)械臑r青烯類物質(zhì)進(jìn)行綜合利用，是否就等于延長了煤直接液化過程的產(chǎn)業(yè)鏈？
　　“我們中國科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在以這種富碳原料制備各種各樣的炭材料方面，是有一定的基礎(chǔ)和優(yōu)勢的?！彼窝嘤羞@樣的自信。
　　她本人前期也在相關(guān)科研項(xiàng)目的支持下，開展了多孔柔性納米炭纖維無紡布的制備，比如利用酚醛樹脂為碳源，經(jīng)過靜電紡絲、固化和碳化處理，制得比較面積較高且具有層次孔結(jié)構(gòu)的柔性納米炭纖維無紡布。
　　宋燕考慮到，煤液化殘?jiān)械臑r青烯類物質(zhì)與熱固性酚醛樹脂分子結(jié)構(gòu)相類似，都是以苯環(huán)為基本結(jié)構(gòu)單元的稠環(huán)結(jié)構(gòu)，因此，團(tuán)隊(duì)就開展了以煤直接液化殘?jiān)袨r青烯類物質(zhì)為碳源，制備柔性多孔納米炭纖維無紡布領(lǐng)域的探索性研究。
　　實(shí)際上，煤焦化過程產(chǎn)生的煤焦油中也含有大量的殘?jiān)疵簽r青，約占煤焦油含量的50%），宋燕團(tuán)隊(duì)從利用煤焦油瀝青也成功制備出了柔性多孔納米炭纖維無紡布。
　　讓殘?jiān)哂懈吒郊又?br/>　　凌立成在評價(jià)該項(xiàng)成果的貢獻(xiàn)時(shí)認(rèn)為，該技術(shù)對我國瀝青碳纖維的生產(chǎn)有很強(qiáng)的學(xué)術(shù)和工程化價(jià)值。
　　瀝青基炭纖維技術(shù)難度比較大，國際上除了日本大阪煤氣公司實(shí)現(xiàn)了每年幾百噸的量產(chǎn)以外，其他國家和地區(qū)都沒有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。而我國是一個(gè)焦炭生產(chǎn)大國，擁有大量的煤焦油殘?jiān)Y源。但目前煤瀝青多數(shù)是用作防水涂層、建筑材料、道路鋪設(shè)等，這些利用方式都很粗放，并沒有體現(xiàn)出煤瀝青真正的價(jià)值。
　　該項(xiàng)目通過分離煤液化或煤焦油殘?jiān)幸恍┻m于靜電紡絲的瀝青烯類物質(zhì)作為原料，制備多孔納米炭纖維無紡布，是一種趨勢性的技術(shù)。國外，尤其是韓國雖然也開展過類似的工作，但由于種種原因并沒有堅(jiān)持下去。
　　談及宋燕團(tuán)隊(duì)的成果，炭纖維制備技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室主任呂春祥認(rèn)為，該技術(shù)既有一定的理論創(chuàng)新，又有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　呂春祥稱，借鑒瀝青炭纖維工藝制備多孔納米碳纖維無紡布，瀝青烯和前瀝青烯原料分子量較低，有利于靜電紡絲。后期通過對氧化碳化工藝的優(yōu)化，能使低分子量的稠環(huán)芳烴進(jìn)一步芳構(gòu)化，易于形成類石墨結(jié)構(gòu)的炭纖維。
　　“采用瀝青烯和前瀝青烯原料作為碳源，碳得率適中，既可以保證氧化炭化后形成連續(xù)的纖維，又可以形成合適的亞微納米尺度的孔隙，使得多孔炭纖維既可以賦予一定的強(qiáng)度，滿足柔性電極的力學(xué)性能和柔性的要求，又有合理的孔容和孔結(jié)構(gòu)，滿足能量儲存釋放的要求?！眳未合檎f。
　　應(yīng)用途徑廣泛
　　“我國是煤化工大國，煤液化、煤焦化、煤氣化是煤炭除了燃燒以外的主要利用方式。以煤焦化或煤液化過程的殘?jiān)鼮樵现苽涮坷w維無紡布，為煤焦化和煤液化過程殘?jiān)母吒郊又祽?yīng)用開辟了一個(gè)新的道路?！闭劶疤坷w維無紡布的應(yīng)用，凌立成告訴記者。
　　“這種無紡布柔性好、孔隙發(fā)達(dá)，目前我們僅探索了其在超級電容器、鋰離子電池等能量存儲方面的應(yīng)用，其實(shí)它在吸附分離、生物醫(yī)用等方面也有較廣闊的應(yīng)用前景。”宋燕說。
　　凌立成表示，炭纖維無紡布除了應(yīng)用于能量存儲方面，還可以作為保溫隔熱材料、抗燒蝕熱防護(hù)材料等。
　　“我現(xiàn)在很關(guān)心它的成本。成本和規(guī)模有關(guān)系。規(guī)模上去了，市場就上去了，成本就下來了?！绷枇⒊杀硎?，他的團(tuán)隊(duì)也在根據(jù)宋燕的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一些重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)。
　　“常規(guī)多孔炭纖維制備需要很復(fù)雜的工藝，該技術(shù)大大簡化了多孔炭纖維制備的步驟，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，估計(jì)未來產(chǎn)品的成本也會大大下降。所以對該技術(shù)的應(yīng)用前景我是看好的。”呂春祥補(bǔ)充道。
　　相關(guān)論文信息：
　　https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b05210
　　https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b03637
　　（原載于《中國科學(xué)報(bào)》 2020-05-13 第3版 能源化工)