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宋燕在做实验。
近日，中国科学院炭材料重点实验室主任宋燕研究员团队在柔性多孔纳米炭纤维无纺布制备及应用基础研究方面取得多项重要进展。成果论文已发表于《美国化学会可持续化学与工程》《能源与燃料》等杂志。
自2011年起，宋燕团队就开展柔性纳米炭纤维无纺布的制备及结构调控，利用静电纺丝、固化和炭化处理，成功制备出多孔纳米炭纤维无纺布，这也成为他们工作的一大特色。而从煤直接液化残渣或者煤焦油残渣(即煤沥青)中生产高附加值的柔性纳米炭纤维无纺布，更是该团队的一个独创成果。
多孔纳米炭纤维无纺布制备技术难度较大，产业界对成本的要求也较高。“他们现在基础研究的水平，基本上和国际是同步的。”华东理工大学教授凌立成对《中国科学报》评价道。
一则报道带来的启示
在宋燕看来，当初选择从事煤直接液化残渣制备柔性多孔纳米炭纤维无纺布的工作，是个偶然事件。当年，一则报道给了她极大的启发。
原神华集团(现更名为国家能源投资集团有限责任公司)建设了百万吨级的煤直接液化示范工程。该项目每产出100万吨油品，伴随生成70万吨左右的煤直接液化残渣，而煤直接液化残渣其实是一种危废品。
该报道让宋燕眼前一亮。她调研文献后发现，煤直接液化残渣常见的处理方式就是和煤调配成水煤浆作为汽化炉的燃料，或者送入电厂进行掺烧。但是，这种方式并没有将煤直接液化残渣中的高附加值潜力真正发挥出来。
因为煤直接液化残渣包括重质油、沥青烯、前沥青烯以及更高分子量的稠环芳烃和残渣(包括未反应的煤和矿物质)等物质，而其中沥青烯和前沥青烯是生产各种炭材料的优良前驱体。
宋燕继而想到，如果能对煤液化残渣中的沥青烯类物质进行综合利用，是否就等于延长了煤直接液化过程的产业链?
“我们中国科学院炭材料重点实验室在以这种富碳原料制备各种各样的炭材料方面，是有一定的基础和优势的。”宋燕有这样的自信。
她本人前期也在相关科研项目的支持下，开展了多孔柔性纳米炭纤维无纺布的制备，比如利用酚醛树脂为碳源，经过静电纺丝、固化和碳化处理，制得比较面积较高且具有层次孔结构的柔性纳米炭纤维无纺布。
宋燕考虑到，煤液化残渣中的沥青烯类物质与热固性酚醛树脂分子结构相类似，都是以苯环为基本结构单元的稠环结构，因此，团队就开展了以煤直接液化残渣中沥青烯类物质为碳源，制备柔性多孔纳米炭纤维无纺布领域的探索性研究。
实际上，煤焦化过程产生的煤焦油中也含有大量的残渣(即煤沥青，约占煤焦油含量的50%)，宋燕团队从利用煤焦油沥青也成功制备出了柔性多孔纳米炭纤维无纺布。
让残渣具有高附加值
凌立成在评价该项成果的贡献时认为，该技术对我国沥青碳纤维的生产有很强的学术和工程化价值。
沥青基炭纤维技术难度比较大，国际上除了日本大阪煤气公司实现了每年几百吨的量产以外，其他国家和地区都没有实现量产。而我国是一个焦炭生产大国，拥有大量的煤焦油残渣资源。但目前煤沥青多数是用作防水涂层、建筑材料、道路铺设等，这些利用方式都很粗放，并没有体现出煤沥青真正的价值。
该项目通过分离煤液化或煤焦油残渣中一些适于静电纺丝的沥青烯类物质作为原料，制备多孔纳米炭纤维无纺布，是一种趋势性的技术。国外，尤其是韩国虽然也开展过类似的工作，但由于种种原因并没有坚持下去。
谈及宋燕团队的成果，炭纤维制备技术国家工程实验室主任吕春祥认为，该技术既有一定的理论创新，又有潜在的应用价值。
吕春祥称，借鉴沥青炭纤维工艺制备多孔纳米碳纤维无纺布，沥青烯和前沥青烯原料分子量较低，有利于静电纺丝。后期通过对氧化碳化工艺的优化，能使低分子量的稠环芳烃进一步芳构化，易于形成类石墨结构的炭纤维。
“采用沥青烯和前沥青烯原料作为碳源，碳得率适中，既可以保证氧化炭化后形成连续的纤维，又可以形成合适的亚微纳米尺度的孔隙，使得多孔炭纤维既可以赋予一定的强度，满足柔性电极的力学性能和柔性的要求，又有合理的孔容和孔结构，满足能量储存释放的要求。”吕春祥说。
应用途径广泛
“我国是煤化工大国，煤液化、煤焦化、煤气化是煤炭除了燃烧以外的主要利用方式。以煤焦化或煤液化过程的残渣为原料制备炭纤维无纺布，为煤焦化和煤液化过程残渣的高附加值应用开辟了一个新的道路。”谈及炭纤维无纺布的应用，凌立成告诉记者。
“这种无纺布柔性好、孔隙发达，目前我们仅探索了其在超级电容器、锂离子电池等能量存储方面的应用，其实它在吸附分离、生物医用等方面也有较广阔的应用前景。”宋燕说。
凌立成表示，炭纤维无纺布除了应用于能量存储方面，还可以作为保温隔热材料、抗烧蚀热防护材料等。
“我现在很关心它的成本。成本和规模有关系。规模上去了，市场就上去了，成本就下来了。”凌立成表示，他的团队也在根据宋燕的实验结果进行一些重复性的实验。
“常规多孔炭纤维制备需要很复杂的工艺，该技术大大简化了多孔炭纤维制备的步骤，容易实现规模化量产，估计未来产品的成本也会大大下降。所以对该技术的应用前景我是看好的。”吕春祥补充道。
相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b05210
https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b03637
