[发明专利]一种利用煤直接液化残渣萃取物制备硼氮共掺杂多孔炭的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用煤直接液化残渣萃取物制备硼氮共掺杂多孔炭的方法，涉及炭素材料制备技术领域。

背景技术

煤直接液化制油是利用丰富的煤炭资源缓解石油资源紧张状况的重要途径和举措，我国富煤少油的能源结构特点极大的促进了该技术的快速发展。煤直接液化是在高压氢气和催化剂的作用下，将煤中有机大分子转化为液态油品和化学品的一种洁净煤技术。然而，在煤直接液化过程中无论采用何种煤直接液化和分离技术，均不可避免的产生约占原煤总量20～30%的液化残渣，这对煤炭直接液化的资源利用率和经济性具有重要影响。因此，煤直接液化残渣的高效分级集成利用研究是事关煤直接液化技术发展前景的一个课题。

煤直接液化残渣是一种高碳、高灰和高硫的物质，目前煤直接液化残渣的利用主要集中在燃烧供热、焦化制焦和气化制氢等方面，这些利用途径是一种粗犷式的应用方式，而将煤直接液化残渣作为生产高附加值碳素材料的前驱体是一种更具经济效益的利用方式，因而得到了研究人员的关注，这也拓宽了煤直接液化残渣的应用领域。中国专利CN102225755A公开了一种利用煤液化残渣萃取物制备中间相炭微球的方法，所得产品的产率高达35%，具有粒径分布窄、球形度好等优点。CN102733008A公开了一种利用煤直接液化残渣基沥青烯类物质制备可纺性中间相及碳纤维的方法。CN101591819公开了一种以煤直接液化残渣为原料制备沥青基碳纤维的方法，所得产品表面光滑、尺寸均匀，具有沥青基碳纤维所固有的特性。CN102153081A公开了一种以煤液化残渣为原料，采用化学活化法制备高比表面积活性炭的方法，所得活性炭不仅具有比表面积高、微孔发达及灰分低等特点，而且产量可控，产率较高，适于批量生产。CN1807715公开了一种以煤炭直接液化残渣为原料，采用电弧等离子体炬制备纳米炭纤维材料的方法，制备过程无需添加任何催化剂，工艺路线简单。CN101693533A公开了一种以煤液化残渣作为泡沫碳的碳源，制备兼具固体泡沫结构特点以及中空纳米碳纤维结构和性质的金属/泡沫炭复合材料。Hu等以煤液化残渣为原料，采用KOH活化制备了高比表面积中孔炭，其作为催化剂应用于甲烷裂解表现出良好的催化活性及稳定性[CARBON,2012,50(3):952-959]。周颖等以煤液化残渣中沥青质为原料，制备出具有不同孔道结构的多孔炭，其作为电极材料表现出良好的电化学性能[化工学报,2009,60(9):2359-2364;新型炭材料,2011,26(3):187-191]。

多孔炭具有比表面积大、孔容大、物理化学性质稳定等特点，广泛应用于气体分离、水处理、催化剂载体、电极材料等诸多领域。作为电极材料，影响其性能的主要因素包括孔结构及表面化学性质等。其中表面化学性质的调控是目前受研究者广泛关注的一个方向，研究者们在这方面做了大量探索，杂原子掺杂便是其中较为常用的一种方法。由于杂原子掺杂引入的杂原子官能团与电解液之间能发生法拉第反应而引入赝电容，进而提高材料的能量密度。目前，制备的掺杂炭材料的杂原子选择主要以氧[新型炭材料,2011,26(3):204-210]、氮[Carbon,2007,45(10):2116-2125]、硼[Chem.Mater.2008,20(22):7195-7200]、磷[J.AM.CHEM.SOC.2009,131(14):5026-5027]等几种元素为主，但工作主要集中在单一元素的掺杂，而关于两种元素共掺杂的研究相对较少，相关研究[Journal of Power Sources,2009,186(2):551-556;Journal of Power Sources,2010,195(6):1739-1746]表明：硼氮共掺杂对炭材料的性能改善效果更为明显。

发明内容

本发明以煤直接液化残渣萃取物为原料，经混酸氧化制备含氮前驱体并以此作为碳、氮源，硼酸为硼源和模板剂，在不外加模板剂的情况下炭化处理制备硼氮共掺杂多孔炭材料，其用作超级电容器电极材料表现出优异的性能。

本发明的目的是提供一种利用煤直接液化残渣萃取物制备硼氮共掺杂多孔炭的方法。

一种利用煤直接液化残渣萃取物制备硼氮共掺杂多孔炭的方法，包括下述步骤：

①将煤直接液化残渣萃取物粉末与混酸按比例1g:5～25mL混合，温度60～100℃下反应0.5～4h；将反应所得产物进行洗选，得前驱体；

②将步骤①所得前驱体与硼酸的水溶液混合均匀，将混合物脱水得干燥物，其中，前驱体:硼酸:水的质量比为1:1～10:18～180；