《Materials Today Communications》：Structure and properties of fine-grained graphite based on filler of anthracite and calcined anthracite: a comparative study
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基于山西太原烟煤及其电热活化产物作为填料制备两种细粒石墨（AG和CAG），研究发现活化烟煤制成的CAG石墨晶粒尺寸更大、孔隙率更低、热导率更高，但机械性能略逊于AG。比较了烟煤与活化烟煤在石墨化前后的结构演变及性能差异，为烟煤在特种石墨领域的应用提供依据。
赵赫 | 徐英杰 | 连鹏飞 | 赵宏超 | 郭晓辉 | 刘展军 | 曾德雷克
中国科学院煤炭化学研究所山西碳材料重点实验室，中国太原 030001
摘要
无烟煤因其显著的成本优势、高碳含量、低杂质含量以及在高温下良好的石墨化行为，被视为生产基于碳的材料（如细晶石墨）的有希望的原料。然而，关于使用无烟煤作为填充剂来生产细晶石墨的研究仍然有限，这阻碍了其在石墨产业中的大规模应用。在本研究中，采用了粒度相当的太西无烟煤及其电煅烧产物作为填充剂，制备了两种类型的细晶石墨：AG和CAG。这两种石墨均采用相同的工艺和煤焦油沥青粘合剂/浸渍剂制备。与AG相比，CAG在整体性能上表现出显著的优势，包括更高的石墨化程度、更大的平均晶粒尺寸、更小的孔径、更低的孔隙率、更高的导热系数以及更低的热膨胀系数，尽管其机械性能可能较差。这些发现表明，煅烧后的无烟煤在结构致密性等性能方面优于原始无烟煤，尽管机械强度较低。此外，我们还研究了无烟煤和煅烧后无烟煤在石墨化前后的结构和性能变化，以详细了解AG和CAG之间的差异。本研究有助于合理利用无烟煤在石墨产业中的应用。
引言
合成石墨是一种人造的独特材料，由于其无可比拟的优势，在各个领域有着广泛的应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。其生产过程需要选择易于石墨化的适当碳质前体[1]。前体的特性在很大程度上决定了合成石墨的成本、质量和应用。目前，石油焦是合成石墨生产中使用的主要碳质前体[7]。然而，由于国际能源市场垄断的加剧和国际原油价格的剧烈波动，合成石墨的成本急剧上升[8]。因此，迫切需要寻找易于石墨化的替代碳质前体，以减少对石油的依赖并满足对合成石墨日益增长的需求。
煤炭在现代社会中既是重要的能源来源，也是有机化学原料的来源[9]。特别是，煤炭被认为是生产基于碳的材料（包括合成石墨）的有希望的原料[10]、[11]。在不同等级的煤炭中，无烟煤由于具有显著的价格优势、最高的碳含量、最低的杂质含量以及在2000°C以上仍能石墨化的特性，在替代昂贵的石油焦方面具有最大的潜力[12]。由于无烟煤的结构复杂性，其石墨化过程比石油焦更为复杂[13]。尽管如此，研究人员仍致力于深入研究无烟煤的石墨化机制及其微观结构演变、成分和加工条件之间的关系[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。这些工作为基于无烟煤的石墨/碳材料的发展奠定了理论和实践基础，例如石墨烯片[38]、[39]、[40]、超级电容器电极材料[42]、[43]、氧还原反应催化剂[45]、[46]、锂离子电池阳极材料[48]、[49]、[50]、钠离子电池阳极材料[52]、[53]、[54]、[55]、[56]、微波吸收复合材料[57]、[58]、碳/石墨烯量子点[59]、[60]、[61]、活性炭[62]和橡胶增强剂[63]。然而，据作者所知，尽管有一些文献报道了使用无烟煤作为填充剂制备的碳/石墨体的性质[64]、[65]、[66]、[67]、[68]，但关于基于无烟煤填充剂的石墨体的制备、结构和性质的详细全面研究仍然不足。因此，需要进一步探索无烟煤作为石墨体填充剂的潜力。
太西无烟煤因其高碳含量、低灰分、低硫、低磷、高热值和高石墨化能力等优异特性，成为中国乃至全球无烟煤的典型代表[69]、[70]。因此，本研究旨在评估无烟煤作为石墨生产填充剂的潜力，并试图填补太西无烟煤资源在特种石墨领域应用的空白。此外，本研究还根据对使用太西无烟煤及其煅烧产物制备的细晶石墨的结构和性质的比较分析，提供了可行性研究和开发建议。
材料
材料
本研究中使用的煤焦油沥青粘合剂和浸渍剂由中国山东省济宁科能新材料科技有限公司提供。煤焦油沥青的性质见表S1。无烟煤和煅烧后无烟煤的填充剂由中国国家能源集团宁夏煤炭工业有限公司的煤炭制备中心提供。煅烧后的无烟煤是通过连续电煅烧从太西无烟煤中获得的石墨化前后无烟煤和煅烧后无烟煤的结构比较
XRD常用于揭示样品的晶体形态。无烟煤和煅烧后无烟煤的XRD图谱分别如图1所示。无烟煤的XRD图谱中有一些杂散峰（见图1a），主要是矿物的尖锐峰[75]。由于高度煤化作用，图1a中还显示出26°和43°的弱峰，分别对应于芳香层的(002)面和(100)面的反射，表明存在石墨化现象
结论
成功地使用无烟煤和煅烧后无烟煤作为填充剂制备了两种类型的细晶石墨（AG和CAG）。系统地研究了这两种石墨的结构和性质，并比较了它们之间的差异。同时，我们还研究了石墨化前后无烟煤和煅烧后无烟煤在结构和性质上的变化，以阐明AG和CAG之间的差异。相关结论总结如下
作者贡献声明
曾德雷克（Derek Tsang）：撰写 – 审稿与编辑。刘展军（Zhanjun Liu）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资金获取。郭晓辉（Xiaohui Guo）：正式分析。赵宏超（Hongchao Zhao）：正式分析。连鹏飞（Pengfei Lian）：研究。徐英杰（Yingjie Xu）：资源获取、研究。赵赫（Zhao He）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学设计、研究、数据整理、概念构思。
利益冲突声明
我们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号91860116）的财政支持。
