[发明专利]利用煤液化残渣重质有机成份制备氮掺杂多孔炭的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用煤液化残渣重质有机组分为原料制备氮掺杂多孔炭的方法，属于炭素材料制备技术领域。 

背景技术

煤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，富煤少油的能源结构特点是我国可以利用此技术的重要前提。煤液化是将煤由固态转化为液态的过程，通常是在高压氢气和催化剂的作用下，将煤加热至400~460 °C，使其在溶剂中发生化学反应，将煤中有机质大分子转化为液体油品和化学品的洁净煤技术。然而，在煤液化过程中不可避免的产生副产物 — 煤液化残渣，约占原煤总量20~30 %，大量的残渣对液化过程中的资源利用率和经济性有不可低估的影响。因此，煤液化残渣的高效分级集成利用是事关煤液化技术发展前景的一个重要课题。 

煤液化残渣是一种高碳、高灰和高硫的物质，主要由无机矿物质、未转化的重质有机组分以及催化剂组成，其性质主要取决于液化工艺条件、液化煤的种类和分离方法等。目前，煤液化残渣的利用主要集中在燃烧、焦化制油、气化制氢等方面。此外，将煤液化残渣作为生产高附加值的炭素材料前驱体得到研究人员的关注，这进一步开拓了煤液化残渣的应用领域。申请号为201110137897.9的专利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 %，具有粒径分布窄和球形度好等优点。申请号为201110108731.4的专利公开了以煤液化残渣为原料，采用化学活化法制备高比表活性炭的方法，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。申请号为200910308685.5的专 利公开了一种以煤液化残渣作为泡沫碳的碳源，采用超临界发泡法或模板法合成金属/泡沫炭复合材料，经化学气相沉积，制备纳米碳纤维/泡沫炭复合材料。Hu等以煤液化残渣为原料，采用KOH活化成功制备高比表面积中孔炭，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), 952-959]。Zhou等以煤直接液化残渣为原料，采用等离子体法成功制备超细碳纤维 [Fuel, 2008(87), 3474-3476]。周颖等以煤液化残渣中沥青质为原料，采用模板法成功制备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; 新型碳材料, 2011 (3): 187-191]。 

多孔炭具有化学稳定性好、耐高温、导电性好、导热快、比表面积大、孔容大等特点，被广泛应用于气体分离、水处理、催化剂载体、电极材料、吸附剂、传感器等诸多领域。作为电极材料，影响其性能的主要因素包括比表面积、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研究较多的一个课题，研究者们对于改善炭材料表面化学性质方面做出大量研究，氮掺杂法便是其中较为常用的一种方法。这是由于氮掺杂可以增加多孔炭表面碱性官能团，改善了表面的浸润性能，从而提高其比表面积的利用率、改善材料性能。目前，氮掺杂炭材料的制备主要有两种方法：（1）以富氮碳源作为原料制备；（2）对已有炭材料进行表面改性，亦称后处理法。如Xia Y等以沸石EMC-2为硬模板，乙腈为碳源和氮源，采用CVD法合成高比表高微孔含量的氮掺杂炭材料，并将其应用于储氢中 [Carbon, 2011,49(3):844-853]。Lei Liu等以柠檬酸为催化剂，间二苯酚和甲醛为碳源，采用软模板法水热合成具有二维六方结构的介孔炭材料，并对所得材料进行氨处理，得到氮掺杂介孔炭，并研究其CO₂吸附性能 [J.Mater.Chem.,2011,Advance Article]。 

煤液化残渣中含有60~80 %的富碳重质有机组分，其基本结构单元是由多个 芳香环组成的芳香片为核心，周围连接有一系列碳数不等的烷基侧链或环烷烃；该组分具有较高的碳含量、容易发生聚合或交联，是制备炭材料适宜的前驱体。本发明以煤液化残渣重质有机组分为原料，以二氰二胺、尿素或氯化铵为氮源，制备氮掺杂多孔炭材料。此发明为煤液化残渣的利用提供一条新途径。 

发明内容

本发明旨在提供一种利用煤液化残渣重质有机组分制备氮掺杂多孔炭的方法，所要解决的问题是以煤液化残渣重质有机组分为原料，以二氰二胺、尿素或氯化铵为氮源，制备氮掺杂多孔炭，实现煤液化残渣的高效分级集成利用。 

本发明的技术方案：