煤基炭素活性材料的研究进展.pdf

第26卷第1期煤炭转化
Vol.26No.1
2003年1月COALCONVERSIONJan.2003

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煤基炭素活性材料的研究进展

杨明莉1)徐龙君2)鲜学福3)

摘要对煤基活性炭、煤基活性炭纤维、煤基纳米结构材料等煤基活性炭素材料在制备方面
的进展进行了评述.在此基础上提出了煤基超级活性炭、煤沥青基活性炭纤维和煤基纳米结构材料
是开发煤基高附加值产品、拓展煤层甲烷和煤气化产品中烃组分新用途的有潜力的方向.
关键词煤,煤层气,活性炭,活性炭纤维,纳米炭素结构材料
中图分类号TQ536.2

(Buckyonions).[3]纳米结构炭素材料的发现、研究
0引言及应用开发开辟了炭素材料的新领域.而相关的活
性炭素材料则特指那些具有表面活性、反应活性或
传统的炭素材料指的是具有从无定形碳催化活性的活性炭素材料,是炭素材料研究领域的
(amorphouscarbon)到石墨(graphie)、金刚石一大热点,具有很大的应用潜力.
(diamond)结晶的一大类物质形成的材料,包括金绝大多数有机化合物都富含炭,原则上都可作
刚石、石墨、卡宾(carbin)、炭黑(carbonblack)、炭为生产炭素材料的原料.就已工业化的人造炭素材
纤维(carbonfibers-CF)、活性炭(activecarbon-料所用的原料而言主要有木质材料[4]、石墨[5]、石油
[6-8][9][10]
AC).20世纪80年代以后陆续发现以C60,纳米炭焦、煤泥炭、煤沥青和煤等材料.以煤为原料
管(carbonnanotubes)、炭葱(carbononions)为代表生产活性炭素材料不但可以拓展煤的非燃料利用空
的富勒烯(fullerene).[1]具有纳米结构的炭素材料间,而且可为煤炭行业带来一些高附加值产品,提高
(nanostructuralcarboneousmaterials),是继石墨、采煤行业在日益严格的环境法规压力下的竞争能
金刚石之后发现的纯炭的第三种独立形态,在物理、力.同时对扩展这些高附加值产品的原料来源,降低
化学、材料和生命科学等众多领域有着巨大的应用其原料成本有十分重要的意义.
前景.1985年英国萨塞克斯大学(Universityof
Sussex)的波谱学家Kroto教授与美国莱斯大学1炭素材料的结构特征
(RiceUniversity)的Smalley和Curl两教授在合作
研究中,发现碳元素可以形成由60个或70个碳原
1.1传统炭素材料
子构成的高度对称性笼状结构的C60和C70分子,被
称为巴基球(Buckyballs).1991年日本NEC科学家传统炭素材料[11]的结构单元包括微晶碳
Iijima[2]采用高分辨隧道电子显微镜(HRTEM)制(microcrystallinecarbon)即无定形碳、结晶碳

取C60的阴极结疤中首次发现炭纳米管,其径向尺寸(crystallinecarbon),即通常所指的金刚石、石墨和
为纳米量级,轴向尺寸为微米量级而表现出典型的卡宾由这两种基本结构单元以不同程度、不同的方
一维量子材料特征,具有较高的机械强度和超常的式混杂而形成的过渡性结构单元.金刚石晶格中的
磁阻和导热性等特性.1992年瑞士联邦大学的每一个碳原子都分别以四个sp3杂化轨道与相邻的
Vgarte等用高强度电子束长时间照射炭棒,发现了四个碳原子的sp3杂化轨道以等价的四个键结
多层相套的巴基球,结构像洋葱,称为巴基葱合,从而形成具有连续三维刚性四面体键构建的面

*国家教委重点科技项目(98031)、重庆市院士基金资助项目.
1)博士生、副教授,重庆大学化学化工学院;2)博士后、副研究员;3)教授、博士生导师、中国工程院院士,重庆大学西南资源开发及环境灾
害控制教育部重点实验室,400044重庆
收稿日期:2002-09-17
第1期杨明莉等煤基炭素活性材料的研究进展27

心立方晶体.其晶包边长0.35667nm,CC键长系12个五元环和20个六元环组成的球形32面体,
0.1544nm.由于晶面上碳原子密度最高,使金刚石六元环的每个碳原子均以双键与其他碳原子结合,
具有最大的硬度.石墨具有六角形碳网堆砌而成的形成类似苯环的结构,它的键不同于石墨中sp2
2
层状晶体结构,在晶体中碳原子外层电子轨道按sp杂化轨道形成的键,也不同于金刚石中sp3杂化
杂化,每个碳原子与相邻碳原子形成平面内的三个轨道形成的键,是以sp2.28杂化轨道(s成分为

键,并排列成六角平面的网状结构层面;与该平面30%,p成分为70%)形成的键,C60的键垂直于
垂直的2p轨道层面形成大键,构成由相互平行球面,含有10%的s成分,90%的p成分,即为s0.1
的网状结构层面堆砌而成的层状晶