焦耳加热碳热还原原位制备碳化硅：煤气化细渣高值化利用的创新路径

本文创新性地采用焦耳加热（Joule heating）技术，在1600-2000℃超高温区间精准调控反应参数（5-60秒），实现煤气化细渣（CGFS）中碳硅组分原位转化为多形态碳化硅（SiC）。突破传统碳灰分离瓶颈，通过气相-固相（VS）和气-液-固（VLS）生长机制，获得簇状/针状/棒状β-SiC与α-SiC晶体，为煤基固废绿色升级提供秒级高效解决方案。

　　

Highlight

本研究通过焦耳加热碳热还原技术，开创了煤气化细渣（CGFS）原位转化为碳化硅（SiC）的高效路径。在闪电般的反应速度（秒级）和超高温环境（1600-2000℃）下，成功制备出具有簇状、针状和棒状结构的SiC晶体，完美诠释了"变废为宝"的绿色化学理念。

Materials and pretreatment

实验采用宁夏宁东能源化工基地GSP气化工艺产生的CGFS为原料。经X射线荧光光谱（XRF）分析显示，其主要含SiO₂、Al₂O₃和CaO等组分。通过酸洗预处理有效降低了碱金属氧化物对SiC合成的干扰，为后续反应扫清了障碍。

Feasibility study

热力学计算揭示：在标准状态下，SiO₂-C体系生成SiC的反应（1510℃）比生成单质硅的反应更易发生。一旦形成SiC，其稳定结构能有效抑制副反应，这为定向合成提供了理论保障。

Conclusions

1. 1.

   所制备的SiC结晶度高，存在立方相（β-SiC）向六方相（α-SiC）的转变趋势；

2. 2.

   透射电镜（TEM）清晰捕捉到β-SiC的(111)晶面和α-SiC的(101)晶面衍射；

3. 3.

   提出VS和VLS两种生长机制，犹如"分子积木"般构建出不同形貌的SiC结构。这项技术为煤基固废的高值化利用开辟了新纪元。