宋燕在做實驗。

近日，中國科學院炭材料重點實驗室主任宋燕研究員團隊在柔性多孔納米炭纖維無紡布制備及應用基礎研究方面取得多項重要進展。成果論文已發表于《美國化學會可持續化學與工程》《能源與燃料》等雜志。

自2011年起，宋燕團隊就開展柔性納米炭纖維無紡布的制備及結構調控，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。而從煤直接液化殘渣或者煤焦油殘渣(即煤瀝青)中生產高附加值的柔性納米炭纖維無紡布，更是該團隊的一個獨創成果。

多孔納米炭纖維無紡布制備技術難度較大，產業界對成本的要求也較高。“他們現在基礎研究的水平，基本上和國際是同步的。”華東理工大學教授凌立成對《中國科學報》評價道。

一則報道帶來的啟示

在宋燕看來，當初選擇從事煤直接液化殘渣制備柔性多孔納米炭纖維無紡布的工作，是個偶然事件。當年，一則報道給了她極大的啟發。

原神華集團(現更名為國家能源投資集團有限責任公司)建設了百萬噸級的煤直接液化示范工程。該項目每產出100萬噸油品，伴隨生成70萬噸左右的煤直接液化殘渣，而煤直接液化殘渣其實是一種危廢品。

該報道讓宋燕眼前一亮。她調研文獻后發現，煤直接液化殘渣常見的處理方式就是和煤調配成水煤漿作為汽化爐的燃料，或者送入電廠進行摻燒。但是，這種方式并沒有將煤直接液化殘渣中的高附加值潛力真正發揮出來。

因為煤直接液化殘渣包括重質油、瀝青烯、前瀝青烯以及更高分子量的稠環芳烴和殘渣(包括未反應的煤和礦物質)等物質，而其中瀝青烯和前瀝青烯是生產各種炭材料的優良前驅體。

宋燕繼而想到，如果能對煤液化殘渣中的瀝青烯類物質進行綜合利用，是否就等于延長了煤直接液化過程的產業鏈?

“我們中國科學院炭材料重點實驗室在以這種富碳原料制備各種各樣的炭材料方面，是有一定的基礎和優勢的。”宋燕有這樣的自信。

她本人前期也在相關科研項目的支持下，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構的柔性納米炭纖維無紡布。

宋燕考慮到，煤液化殘渣中的瀝青烯類物質與熱固性酚醛樹脂分子結構相類似，都是以苯環為基本結構單元的稠環結構，因此，團隊就開展了以煤直接液化殘渣中瀝青烯類物質為碳源，制備柔性多孔納米炭纖維無紡布領域的探索性研究。

實際上，煤焦化過程產生的煤焦油中也含有大量的殘渣(即煤瀝青，約占煤焦油含量的50%)，宋燕團隊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。

讓殘渣具有高附加值

凌立成在評價該項成果的貢獻時認為，該技術對我國瀝青碳纖維的生產有很強的學術和工程化價值。

瀝青基炭纖維技術難度比較大，國際上除了日本大阪煤氣公司實現了每年幾百噸的量產以外，其他國家和地區都沒有實現量產。而我國是一個焦炭生產大國，擁有大量的煤焦油殘渣資源。但目前煤瀝青多數是用作防水涂層、建筑材料、道路鋪設等，這些利用方式都很粗放，并沒有體現出煤瀝青真正的價值。

該項目通過分離煤液化或煤焦油殘渣中一些適于靜電紡絲的瀝青烯類物質作為原料，制備多孔納米炭纖維無紡布，是一種趨勢性的技術。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持下去。

談及宋燕團隊的成果，炭纖維制備技術國家工程實驗室主任呂春祥認為，該技術既有一定的理論創新，又有潛在的應用價值。

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化，能使低分子量的稠環芳烴進一步芳構化，易于形成類石墨結構的炭纖維。

“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度，滿足柔性電極的力學性能和柔性的要求，又有合理的孔容和孔結構，滿足能量儲存釋放的要求。”呂春祥說。

應用途徑廣泛

“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渣為原料制備炭纖維無紡布，為煤焦化和煤液化過程殘渣的高附加值應用開辟了一個新的道路。”談及炭纖維無紡布的應用，凌立成告訴記者。

“這種無紡布柔性好、孔隙發達，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用，其實它在吸附分離、生物醫用等方面也有較廣闊的應用前景。”宋燕說。

凌立成表示，炭纖維無紡布除了應用于能量存儲方面，還可以作為保溫隔熱材料、抗燒蝕熱防護材料等。

“我現在很關心它的成本。成本和規模有關系。規模上去了，市場就上去了，成本就下來了。”凌立成表示，他的團隊也在根據宋燕的實驗結果進行一些重復性的實驗。

“常規多孔炭纖維制備需要很復雜的工藝，該技術大大簡化了多孔炭纖維制備的步驟，容易實現規模化量產，估計未來產品的成本也會大大下降。所以對該技術的應用前景我是看好的。”呂春祥補充道。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b05210

https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b03637