综述：煤基碳材料：通往石墨烯、碳纳米管、碳量子点和纳米金刚石的途径，以解决能源和环境问题

《ACS Omega》：Coal-Derived Carbon Materials: Pathways to Graphene, Carbon Nanotubes, Carbon Quantum Dots, and Nanodiamond for Energy and Environmental Solutions

碳材料因其优异性能在能源和环境领域应用广泛，但传统石墨原料成本高。本文系统综述了煤作为低成本、 abundant碳源转化为石墨烯、碳纳米管、纳米金刚石等先进碳材料的合成方法（热解、CVD、化学/电化学处理等），重点分析了不同煤阶（褐煤、烟煤、无烟煤）的碳含量、杂质及结构特征对材料性能的影响。研究证实，煤基材料在超级电容器（比电容达436 F/g）、锂/钠离子电池（容量>600 mAh/g）和光催化（CO?还原、染料降解效率>90%）等领域表现突出。此外，表面功能化（N/S/P/B掺杂）和杂结构建（如GO/SiO?、C-QDs/TiO?）显著提升了材料导电性、吸附能力及催化活性。最后指出，规模化生产需突破煤预处理、缺陷控制及绿色合成技术瓶颈。

　　在现代社会，碳材料因其独特的物理化学特性而备受关注，它们在高端应用领域展现出巨大的潜力。这些材料具有高导电性、优异的热稳定性以及卓越的机械强度，因此成为能源存储、催化和环境应用的重要候选材料。然而，尽管这些碳材料的合成方法和大规模生产技术在不断进步，但其合成策略和生产过程仍然面临诸多挑战，这主要归因于可选的前驱材料供应有限以及合成工艺的复杂性。近期的研究表明，煤炭作为一种丰富且成本低廉的碳源，可以有效地转化为高质量的碳材料，如石墨烯及其衍生物、碳量子点和石墨烯量子点等。本文旨在全面概述从煤炭中制备先进碳纳米结构的过程，包括石墨烯、碳纳米管、纳米金刚石和碳量子点，并简要介绍其他煤炭衍生碳材料，如石墨化、介孔、杂原子掺杂、纤维状和片状碳材料。同时，本文也对这些技术的优势与局限性进行了批判性评估，并探讨了其在能源存储系统，如电池和超级电容器中的技术应用。此外，还突出了其在生物传感、金属离子检测、光催化染料降解、CO?还原和氢气生成等环境应用中的潜力。

煤炭作为人类文明的重要能源来源，自古以来就扮演着关键角色。早期社会利用煤炭进行加热和金属加工，认识到其产生强烈热量的能力。到了工业革命时期，煤炭成为全球能源生产的支柱，为蒸汽机、工厂和发电厂提供动力。作为最丰富的化石燃料之一，煤炭的广泛使用在推动全球经济发展的过程中发挥了重要作用。然而，随着对环境可持续性和化石燃料储量枯竭的关注增加，研究重点逐渐转向探索煤炭的非燃烧用途。一种可能的方向是将煤炭转化为高价值的碳材料，尤其是石墨烯及其衍生物，这些材料在能源存储、催化和环境应用中展现出巨大潜力。

从化学结构来看，煤炭是一种复杂的异质材料，主要由碳、氢、氧、氮和硫组成，并含有少量的无机矿物。煤炭的化学结构因煤阶（煤的等级）不同而有所差异，其分类从低阶煤（如褐煤）到高阶煤（如无烟煤）不等。因此，煤炭的化学特性对于其作为碳基材料的潜力至关重要。然而，煤炭结构中较高的碳含量和芳香性（sp2杂化碳）使其更适合作为先进碳材料的前驱体。与传统的碳材料相比，这些特性使得煤炭成为一种更具吸引力的原料，能够满足多种高端应用的需求。

碳材料以多种形式存在，每种形式都有其独特的结构和电子特性。传统的碳材料，如石墨和金刚石，已经在工业应用中得到广泛应用。然而，随着纳米技术的发展，新型碳同素异形体，如石墨烯、碳纳米管（CNTs）、碳点（CDs）、纳米金刚石和富勒烯等，吸引了大量研究兴趣。其中，石墨烯作为一种由sp2杂化碳原子构成的六边形晶格单层结构，因其出色的机械强度、高电导率和优异的热稳定性而备受瞩目。这些特性使其成为能源和环境应用中极具吸引力的碳材料。石墨烯的这些特性使其在各种应用中展现出巨大的潜力，包括储能、催化和环境治理。

将煤炭转化为石墨烯及其衍生物的合成方法近年来取得了显著进展。与传统的石墨前驱体合成方法相比，煤炭提供了一种天然丰富且经济的替代材料。此外，使用煤炭作为石墨烯生产原料，还可以为煤炭的使用提供替代应用，从而减少其在燃烧中的使用。目前已探索出多种合成技术，包括热解、化学气相沉积（CVD）以及化学和热处理方法。每种方法在产量、结构完整性和功能化可能性方面各有优势。

除了石墨烯，煤炭还可以通过特定的加工工艺转化为混合碳材料和碳纳米管。通过在石墨烯表面引入氮（N）、硫（S）、磷（P）和硼（B）等杂原子，可以进一步提高其化学反应性，从而改善其与其他材料的兼容性。这种改性处理不仅提升了石墨烯在溶剂和复合材料中的分散性，还增强了其与其他材料的相互作用，从而在广泛的用途中提升性能。煤炭衍生的石墨烯混合材料在超级电容器、锂离子电池、钠离子电池和燃料电池中表现出优异的性能，为传统电极材料提供了可持续的替代方案。

煤炭衍生的碳材料在环境应用方面同样展现出巨大潜力。这些材料已被成功应用于生物传感、金属离子检测、光催化染料降解和CO?还原与氢气生成。这些应用表明，煤炭衍生的碳材料不仅能够缓解环境污染，还能够为清洁能源解决方案做出贡献。近年来，关于煤炭衍生碳材料的研究迅速增长，显示出其在不同领域中的广泛适用性。然而，目前尚未有系统综述涵盖煤炭衍生碳材料的广泛范围，包括纳米金刚石及其在能源和环境领域的应用。

综上所述，煤炭衍生碳材料的研究正在快速发展，其在能源和环境领域的应用前景广阔。通过优化合成工艺、控制微观结构以及引入杂原子掺杂，煤炭衍生的碳材料可以满足高性能电极材料的需求。同时，这些材料在环境治理和传感技术中的应用也显示出其作为可持续材料的巨大潜力。尽管如此，煤炭衍生碳材料的合成仍面临诸多挑战，包括如何实现结构的精确控制、如何提高生产规模以及如何开发更环保的合成路线。因此，未来的研究需要在这些方面进行深入探索，以推动煤炭衍生碳材料在工业和科学领域的广泛应用。