《Process Safety and Environmental Protection》：From porous skeleton to carbon conductive network: Structure-performance correlation in coal-derived hollow fiber membranes for electrocatalytic water purification
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摘要低成本、高电导率且稳健的电催化膜的开发在微污染水修复领域仍面临挑战。本研究以煤为前驱体，通过湿纺和碳化工艺制备了碳基中空纤维膜（CHFMs），并系统阐明了多孔骨架/碳导电网络与膜综合性能之间的构效关系。前驱体煤的种类决定了孔结构和机械强度，而碳化温度则对碳结构起到关键调控
摘要
低成本、高电导率且稳健的电催化膜的开发在微污染水修复领域仍面临挑战。本研究以煤为前驱体，通过湿纺和碳化工艺制备了碳基中空纤维膜（CHFMs），并系统阐明了多孔骨架/碳导电网络与膜综合性能之间的构效关系。前驱体煤的种类决定了孔结构和机械强度，而碳化温度则对碳结构起到关键调控作用：提高温度可减少无定形碳，扩大缺陷石墨域，促进碳微晶生长，使材料转变为有序的类石墨框架。这种结构演变被认为是电导率和电化学活性增强的关键驱动力。采用优化的煤A与煤B混合料（质量比5:5）在900 °C下碳化所得的CHFM，表现出高通量、低电阻率和优异的电化学特性。在施加2.0 V电位下，罗丹明B（RhB）去除效率从5.3%大幅提升至100%，同时具有出色的循环稳定性和广谱污染物去除能力。机理研究表明，污染物的降解涉及直接电子转移和·OH、超氧自由基及单线态氧间接氧化的协同作用。本研究提出了一种合理的配煤和碳化策略，将廉价煤升级为高性能电催化膜，用于可持续水净化。
引言
水是支撑人类生存和社会进步的基本资源，保障着生命的延续。在经济快速发展和人类活动日益加剧的背景下，地表水污染日趋严重，对生态系统和公众健康构成重大威胁。因此，高效水处理技术的开发变得刻不容缓，尤其是在微污染水体的深度净化处理方面（Cui等，2026，Zhu等，2024）。在众多技术中，膜技术因其操作简单、环境友好、能耗低和占地小等优势而备受关注（Zhang等，2025a）。然而，传统膜技术在污染物选择性与渗透通量之间固有地存在性能权衡，同时还面临持续的膜污染问题（Yi等，2024；Zhao等，2024）。电催化膜过滤作为一种新型处理技术，将电化学反应与膜分离协同耦合，兼具两者的互补优势（Lin等，2024，Wu等，2025）。在这一集成系统中，污染物的原位电化学氧化不仅提升了去除性能，还有效缓解了膜污染（Kim等，2024；Lin等，2025；Ren等，2023）。此外，与传统电化学反应器相比，膜过滤固有的贯穿式构型显著增强了传质过程，从而加速了氧化反应动力学（Cui等，2026；Feng等，2023；Hakizimana等，2024）。
电催化膜过滤的性能在很大程度上取决于所使用的活性导电膜材料（Mo等，2022；Zhang等，2022）。迄今为止，报道最为广泛的候选材料包括多孔钛基膜（Liu等，2015，Zeng等，2022）、亚化学计量比TiO2膜（Xu等，2026，Zhang等，2025b，Zhuo等，2023）以及碳基膜（Hou等，2025；Yan等，2024）。这些材料通常制成管式、平板式或中空纤维形态。其中，中空纤维膜因其高密度装填、占地小和操作压力低而具有显著的应用潜力（Hwang等，2025，Yan等，2025）。特别是碳基材料具有优异的导电性、可调的孔结构和大的比表面积，且其表面易于功能化以产生丰富的活性位点，非常适合构建活性导电膜（Patil等，2021；Ren等，2023）。例如，Xie等人（Xie等，2023）通过将ZIF-67与PVDF混合，经湿纺和碳化工艺制备了不对称聚偏二氟乙烯（PVDF）基中空纤维碳膜。同样，Yang等人（Yang等，2019）以碳纳米管（CNTs）为原料，通过类似的湿纺-碳化路线制备了CNT基中空纤维碳膜。然而，常规聚合物碳含量低，导致热解后的碳质产品极为脆性。此外，CNTs本身缺乏结合能力且界面黏结力弱，这些因素共同导致所得中空纤维碳膜机械强度差。
煤作为一种储量丰富、成本低廉且富碳的天然资源，是功能性材料的有前景原料。我们前期的研究已表明，某些煤种——特别是具有特定变质程度的无烟煤——在高温热解过程中表现出优异的自粘结特性，可制备出机械强度优异的碳基膜（Pan等，2020a，Pan等，2020b）。基于这一发现，我们提出假设：通过选择黏结性煤作为前驱体并精确控制制备参数，可以成功制备出具有卓越机械完整性和综合性能的高强碳基中空纤维电催化膜。
本研究以煤为前驱体，通过湿纺-碳化工艺制备了高装填密度碳基中空纤维膜（CHFMs）。系统评估了四种不同变质程度的煤种以及各种配煤比例对膜多孔骨架、微观结构和关键性能（包括渗透通量、机械强度、收缩率和孔隙率）的影响。研究了碳化过程中碳结构的演变、电导率和电化学活性的变化，以阐明其内在机理。在施加电场条件下，以罗丹明B（RhB）为模式污染物评估了CHFMs的电催化过滤性能，并评价了循环稳定性和对不同污染物类型的适用性。最后，通过分子探针实验和自由基淬灭测试，阐明了电催化过滤过程中污染物去除的主要机理。
章节摘要
材料与试剂
四种具有不同变质等级的煤样（分别标记为煤A、煤B、煤C和煤D）购自山西乱 Mining集团，其工业分析数据见表S1。每种原煤经逐级研磨处理（颚式破碎、粉碎和气流粉碎），使其平均粒径约为10 μm（图S1）。聚醋酸乙烯酯（PVB）由郑州巨力化工产品有限公司提供。叔丁醇（TBA）和
前驱体煤种类对CHFM性能的影响
。
首先研究了由不同变质程度原煤制备的CHFM的结构和性能。工业分析（表S1）显示，干基无灰挥发分含量按煤A < 煤B < 煤C < 煤D的顺序递增。结合中国国家标准（GB/T 5751-2009）及其焦渣特征（GB/T 212-2008），这四种煤的变质程度可初步描述如下：
结论
本研究以低成本煤为原料，通过湿纺-碳化工艺成功制备了高装填密度的不对称CHFM。前驱体煤的性质显著影响膜性能，通过配煤设计可优化膜的综合性能。碳化过程中碳结构的演变被认为是决定电导率和电化学活性的关键因素。在900 °C以下
资助
本研究受国家自然科学基金委（批准号：22678067，22308043）、辽宁省科学技术联合基金项目（2025-BSLH-055，2025-MSLH-085）、中央高校基本科研业务费（3132026151）及辽宁省教育厅基本科研业务费（LJ222410151015）资助。
CRediT作者贡献声明
Yu Hang：资源提供，基金获取。Shi Yawei：基金获取，形式分析。Xu Ruisong：写作——审阅与编辑，基金获取，形式分析。Song Chengwen：监督指导，资源提供，方法论。Wang Tonghua：监督指导，资源提供，方法论。Li Lin：资源提供，基金获取。Liu Xinyu：写作——原稿撰写，可视化，验证，调查研究，形式分析，数据整理。Pan Zonglin：写作——审阅与编辑，可视化，验证，
生成式人工智能和AI辅助技术在写作过程中的声明
在本文准备过程中，作者使用了deepseek来提升稿件的语言、语法和可读性。在使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。
致谢
本研究受国家自然科学基金委（批准号：22678067，22308043）、辽宁省科学技术联合基金项目（2025-BSLH-055，2025-MSLH-085）、中央高校基本科研业务费（3132026151）及辽宁省教育厅基本科研业务费（LJ222410151015）资助。
Pan Zonglin|Liu Xinyu|Yan Xiaoqing|Yang Naiyi|Ren Bo|Shi Yawei|Yu Hang|Song Chengwen|Xu Ruisong|Li Lin|Wang Tonghua
