一种煤液化残渣炭材料及其制备方法和应用

本发明属于电化学，具体涉及一种煤液化残渣炭材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电解水制氢反应过程条件温和，可直接产生纯氢，但受热力学和动力学限制，传统电解水制氢槽电压在1.8~2.0v之间，电解水制氢能耗较高。研究发现，阳极oer反应（析氧反应）是制约水电解制氢效率的瓶颈，oer能耗约占电解水总能耗的85%。此外，oer的高热力学势能（即1.23v）是降低电解水制氢能耗的重要阻碍。

2、碳辅助电解水阳极反应替代是指采用更容易氧化的物质（如乙醇、尿素、生物炭等）的氧化反应，替代电解水过程阳极oer反应。阳极反应替代可将电解水制氢技术的理论电压降至低于1.23v。但传统碳辅助电解水操作方式是将碳源直接加入阳极室内，形成炭浆进行电解。该方法只有在较低电流密度下（≤60ma/cm2）才能降低电解水制氢能耗，实现oer反应替代，局限性较强，且浆液反应传质效果较差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤液化残渣炭材料及其制备方法和应用。利用本发明提供的煤液化残渣炭材料制备的电极片作为牺牲阳极不存在传质因素影响，不受电流密度大小的影响即可实现降低电解水能耗。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、本发明提供了一种煤液化残渣炭材料，包括煤液化残渣基脱灰改性炭、石墨与酸浸后煤液化残渣粉末；所述煤液化残渣基脱灰改性炭是由煤液化残渣基脱灰炭经过球磨改性得到；所述煤液化残渣基脱灰炭由煤液化残渣粉末经脱灰得到；所述酸浸后煤液化残渣粉末是由煤液化残渣粉末经第一酸浸后得到；

4、所述煤液化残渣基脱灰改性炭与石墨的质量比为（1.5~3）:1；所述酸浸后煤液化残渣粉末占所述煤液化残渣基脱灰改性炭与石墨总质量的10~15%。

5、本发明提供了上述方案所述煤液化残渣炭材料的制备方法，包括以下步骤：

6、将煤液化残渣粉末进行脱灰，得到煤液化残渣基脱灰炭；

7、将所述煤液化残渣基脱灰炭进行球磨改性，得到煤液化残渣基脱灰改性炭；

8、将煤液化残渣粉末进行第一酸浸，得到酸浸后煤液化残渣粉末；

9、将所述煤液化残渣基脱灰改性炭、石墨与酸浸后煤液化残渣粉末进行混合，得到煤液化残渣炭材料。

10、优选的，所述煤液化残渣粉末的粒径为75~150μm。

11、优选的，所述脱灰包括以下步骤：

12、将煤液化残渣粉末与第一酸性溶液混合，进行第一酸浸，得到酸浸后煤液化残渣粉末；

13、将所述酸浸后煤液化残渣粉末进行第一炭化，得到第一炭化样；

14、将所述第一炭化样与碱性物质混合，进行第二炭化，得到第二炭化样；

15、将所述第二炭化样与第二酸性溶液混合，进行第二酸浸，得到煤液化残渣基脱灰炭。

16、优选的，所述第一酸性溶液包括盐酸溶液和/或氢氟酸溶液；所述第一酸性溶液的浓度为2~6mol/l；所述煤液化残渣粉末的质量与第一酸性溶液的体积比为1mg:（20~25）ml；所述第一酸浸的温度为40~60℃，时间为90~120min。

17、优选的，所述第一炭化的温度为650~750℃，时间为60~70min；所述第一炭化样与碱性物质的质量比为2：1；所述碱性物质包括固体氢氧化钠；所述第二炭化的温度为500~650℃，时间为60~80min。

18、优选的，所述第二酸性溶液包括盐酸溶液和/或氢氟酸溶液；所述第二酸性溶液的浓度为2~6mol/l；所述第二炭化样的质量与第一酸性溶液体积比为1mg:（15~20）ml；所述第二酸浸的温度为20~30℃，时间为60~80min。

19、优选的，所述球磨改性的时间为2.5~3h。

20、本发明提供了一种煤液化残渣基炭牺牲电极片，由上述方案所述的煤液化残渣炭材料或上述方案所述制备方法制备得到的煤液化残渣炭材料经成型得到。

21、本发明提供了上述方案所述煤液化残渣基炭牺牲电极片作为牺牲阳极在电解水制氢中的应用，阳极室不加入碳源。

22、本发明提供了一种煤液化残渣炭材料，包括煤液化残渣基脱灰改性炭、石墨与酸浸后煤液化残渣粉末；所述煤液化残渣基脱灰改性炭是由煤液化残渣基脱灰炭经过球磨改性得到；所述煤液化残渣基脱灰炭由煤液化残渣粉末经脱灰得到；所述酸浸后煤液化残渣粉末是由煤液化残渣粉末经第一酸浸后得到；所述煤液化残渣基脱灰改性炭与石墨的质量比为（1.5~3）:1；所述酸浸后煤液化残渣粉末占所述煤液化残渣基脱灰改性炭与石墨总质量的10~15%。在本发明中，浆液反应，主要影响因素是物质传递，电解液中的碳源通过传质与阳极电极片碰撞或碳源与阳极电解片周围的活性氧基团碰撞后发生反应，这种传质方式只有在低电流密度下才能获得比电解水更低的电极电势；而本发明的碳源本身就是阳极电极，不存在传质因素影响，不受电流密度大小的影响即可实现降低电解水能耗，本发明在100ma/cm2的电流密度下也能够降低电解水制氢能耗。

23、此外，煤液化残渣是煤制油生产副产物，煤液化残渣的化学组成包含具有高芳香结构的沥青类物质，还含有n和o极性杂原子结构。脂肪碳原子多以甲基和环状亚甲基形式存在，氧主要的存在形式为羰基和酯基形式存在，氮元素的主要存在形式为吡咯结构存在。这些特征能够保证煤液化残渣炭材料具有较高的电化学氧化特性。

技术特征：

1.一种煤液化残渣炭材料，其特征在于，包括煤液化残渣基脱灰改性炭、石墨与酸浸后煤液化残渣粉末；所述煤液化残渣基脱灰改性炭是由煤液化残渣基脱灰炭经过球磨改性得到；所述煤液化残渣基脱灰炭由煤液化残渣粉末经脱灰得到；所述酸浸后煤液化残渣粉末是由煤液化残渣粉末经第一酸浸后得到；

2.权利要求1所述煤液化残渣炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述煤液化残渣粉末的粒径为75~150μm。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述脱灰包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一酸性溶液包括盐酸溶液和/或氢氟酸溶液；所述第一酸性溶液的浓度为2~6mol/l；所述煤液化残渣粉末的质量与第一酸性溶液的体积比为1mg:（20~25）ml；所述第一酸浸的温度为40~60℃，时间为90~120min。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一炭化的温度为650~750℃，时间为60~70min；所述第一炭化样与碱性物质的质量比为2：1；所述碱性物质包括固体氢氧化钠；所述第二炭化的温度为500~650℃，时间为60~80min。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第二酸性溶液包括盐酸溶液和/或氢氟酸溶液；所述第二酸性溶液的浓度为2~6mol/l；所述第二炭化样的质量与第一酸性溶液体积比为1mg:（15~20）ml；所述第二酸浸的温度为20~30℃，时间为60~80min。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述球磨改性的时间为2.5~3h。

9.一种煤液化残渣基炭牺牲电极片，由权利要求1所述的煤液化残渣炭材料或权利要求2~8任一项所述制备方法制备得到的煤液化残渣炭材料经成型得到。

10.权利要求9所述煤液化残渣基炭牺牲电极片作为牺牲阳极在电解水制氢中的应用，其特征在于，阳极室不加入碳源。

技术总结
本发明提供了一种煤液化残渣炭材料及其制备方法和应用，属于电化学技术领域。本发明提供了一种煤液化残渣炭材料，包括煤液化残渣基脱灰改性炭、石墨与酸浸后煤液化残渣粉末；所述煤液化残渣基脱灰改性炭是由煤液化残渣基脱灰炭经过球磨改性得到；所述煤液化残渣基脱灰炭由煤液化残渣粉末经脱灰得到；所述酸浸后煤液化残渣粉末是由煤液化残渣粉末经第一酸浸后得到。本发明的碳源本身就是阳极电极，不存在传质因素影响，不受电流密度大小的影响均可实现降低电解水能耗，本发明在100mA/cm<supgt;2</supgt;的电流密度下也能够降低电解水制氢能耗。

技术研发人员：范剑明,张永锋
受保护的技术使用者：内蒙古工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25