煤液化残渣氮掺杂导电炭黑的自活化多级孔构建：协同掺杂与模板效应

为解决煤液化残渣(CLR)高值化利用难题，研究人员通过双氰胺辅助球磨策略一步碳化制备高性能氮掺杂导电炭黑，实现原位氮掺杂(46.09%季氮)、多级孔构建(582.30 m2/g比表面积)和石墨微晶生长协同调控。该材料展现出2.09 Ω超低界面电阻和205.3 F/g比电容，为煤基固废绿色转化提供新范式。

　　

煤化工行业面临的关键挑战之一是如何实现煤液化残渣(CLR)的高值化利用。这种富含多环芳烃的工业废料传统处理方式往往造成严重环境污染，而其特殊的石墨状微晶结构又暗示着转化为功能材料的潜力。现有技术如KOH活化虽能提升比表面积，却伴随碳骨架破坏、强碱污染等问题，且难以同步解决导电性差、孔结构不合理等核心缺陷。

中国神华煤制油化工有限公司与联合基金项目组的研究人员创新性地提出双氰胺辅助球磨策略，在《Fuel Communications》发表的研究中成功实现CLR向高性能氮掺杂导电炭黑的一步转化。通过巧妙利用双氰胺阶梯热解特性与柠檬酸镁模板效应的协同作用，同步完成氮掺杂、孔隙构建和石墨微晶生长三大目标，制备出兼具优异导电性和储能性能的新型碳材料。

研究采用机械化学预处理结合程序升温碳化的技术路径，通过系统调控氮源种类（双氰胺/三聚氰胺/尿素）、镁模板比例等参数，结合N₂吸脱附、X射线光电子能谱(XPS)和电化学阻抗谱(EIS)等表征手段，阐明材料构效关系。CLR原料取自神华煤制油示范项目，确保工业级原料的代表性。

结构特征与形成机制
氮吸附测试显示材料具有582.30 m²/g的高比表面积，其中78%为微孔，同时存在由MgO模板与双氰胺分解气体协同形成的介孔网络。XPS分析证实氮元素主要以季氮形式(46.09%)嵌入碳骨架，这种电子给体特性显著提升材料导电性。高分辨透射电镜(HRTEM)观察到3-5层短程有序石墨微晶，归因于镁模板的空间限域效应。

电化学性能突破
在1 A/g电流密度下获得205.3 F/g的比电容，较传统CLR衍生碳材料(49.1 F/g)提升318%。交流阻抗谱揭示仅2.09 Ω的极低界面电阻，证实氮掺杂有效优化了电荷传输路径。动力学分析表明电容贡献中82%来自快速双电层存储，展现优异的倍率性能。

该研究突破传统多步工艺限制，通过分子协同设计实现CLR的高效转化。所创制的氮掺杂导电炭黑在超级电容器等领域展现出应用前景，同时为煤基固废资源化提供了绿色低碳解决方案。特别值得注意的是，该方法省去传统活化与石墨化工序，使能耗降低约40%，兼具环境效益与经济效益。研究建立的"掺杂-模板"协同机制为功能性碳材料设计提供了普适性思路，对推动煤化工行业可持续发展具有重要意义。