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 將煤液化過程中的主要副產物煤液化殘渣進行高質高值化利用對煤液化過程的資源利用率和經濟性有著不可低估的影響，是完善煤炭直接液化技術的一個重要課題。煤液化殘渣典型的組成為：重質油、瀝青烯、前瀝青烯和四氫呋喃不溶物（包括未反應的煤和礦物質）。其中瀝青烯和前瀝青烯分子均主要由 C元素組成，基本結構單元中是以多個芳環組成的稠和芳環為核心，芳環周圍連接有若干個長度不一的烷基側鏈或者環烷環，芳香度高，碳含量高，容易發生聚合或者交聯，適宜作為制備炭材料的前驅體。

近日，中國科學院山西煤炭化學研究所研究員宋燕團隊以煤液化殘渣中的瀝青烯或前瀝青烯為碳源，經過靜電紡絲結合不熔化、炭化處理成功制得柔性多孔納米炭纖維無紡布，采用硝酸預處理結合空氣不熔化、紡絲原液中添加苯甲酸等方法有效解決了不熔化過程中纖維間的融并現象。闡明了電紡、不熔化、炭化等過程產物結構和形貌的演變規律，并探索了該無紡布在超級電容器、鋰離子電池和鉀離子電池等新型電化學儲能器件中的應用（ACS Sustainable Chem Eng, 2019, 7 (6): 5742-5750；Energy Fuels, 2020, 34 (2): 2445-2451，專利申請號：201711362163.4，201810491436.3， 201810641716.8，201810641705.X和201811315964.X）。

該團隊自2011年起開展柔性納米炭纖維無紡布的制備及結構調控，以熱固性酚醛樹脂為碳源，聚乙烯醇為助紡劑，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（Mater Lett, 2012, 76: 211-214；專利授權號：CN201110319102.6和CN201110319111.5）。通過在紡絲原液中添加造孔劑或者后續活化處理的方法實現了對納米炭纖維無紡布比表面積和孔結構的調控，制備了富含微孔或中孔的納米炭纖維無紡布，并在一定程度上改善了其電化學性能（Carbon, 2013, 51: 290-300；Chem Eng J, 2014, 249: 216-225；J Electrochem Soc, 2014, 161 (9): A1330-A1337；RSC Adv, 2015, 5 (51): 40884-40891；New Carbon Materials, 2012, 27(2): 129-134）。通過采用富氮前驅體為碳源或者氨氣后處理的方法，在所制柔性納米炭纖維無紡布上引入了含氮官能團，提高了其電化學性能（Int J Electrochem Sci, 2012, 7: 7587 – 7599；J Colloid Interface Sci, 2013, 395: 217-223.；Electrochim Acta, 2015, 185: 40-51；New Carbon Materials, 2015, 30(4): 295-301）。通過在紡絲原液中添加氧化石墨烯，制得了具有類石墨化結構的納米炭纖維無紡布，提高了其電化學性能（Electrochim Acta, 2017, 247: 1060-1071）。

此外，還通過引入具有高理論比容量的金屬氧化物或金屬硫化物，制備了具有高比容量、長循環壽命的復合電極材料。其用作超級電容器正極材料時，1 A g-1電流密度的比容量高達1088.5 F g-1，即使電流密度增大至20 A g-1，依舊有860.3 F g-1的容量保持。用作鋰離子電池負極材料時，依舊表現出良好的性能（Appl Surf Sci, 2018, 434: 49-56；Appl Surf Sci, 2019, 465: 635-642）。

以上工作在國家自然科學基金、山西省自然科學基金、山西省重點研發計劃以及山西煤化所杰出青年人才基金等資助下完成。

圖1 以煤液化殘渣為原料制備柔性納米炭纖維無紡布流程示意圖

圖2 納米炭纖維無紡布形貌和柔性示意圖

圖3 納米炭纖維無紡布基復合電極材料制備示意圖