煤制碳纳米材料（CNMs）：可持续转化策略、表征与环境应用系统综述

《Next Materials》：Coal to carbon nanomaterials: A systematic review of sustainable conversion strategies, characterization, and environmental applications

　　

煤在历史上几乎仅作为燃烧燃料被价值化，但如今日益被视为一种低成本、碳密度高且结构多样的原料，用于合成先进碳纳米材料（carbon nanomaterials, CNMs），包括碳点（carbon dots）、氧化石墨烯（graphene oxide, GO）和石墨烯、碳纳米管（carbon nanotubes, CNTs）、富勒烯碳（fullerenic carbons）、多孔活性炭纳米结构（porous activated carbon nanostructures）以及碳纳米纤维（carbon nanofibers, CNFs）。本综述对煤向碳纳米材料转化的文献进行系统综合，围绕四个支柱组织：（i）不同煤阶煤前驱体的大分子和煤岩学结构，以及该结构如何决定下游纳米碳架构；（ii）可持续转化策略，涵盖热解、水热/溶剂热、氧化-剥离、电弧放电、化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）、机械化学、微波辅助和电化学路线，并以产率、能量强度和试剂绿色性进行基准评价；（iii）用于建立煤基纳米碳结构-性质关系所需的多模态表征工具包（X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）、X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）、傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR）、电子显微镜、BET表面积分析（Brunauer-Emmett-Teller, BET）、热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）和光致发光光谱（photoluminescence spectroscopy, PL））；（iv）环境应用，包括重金属和染料吸附、油水分离、CO₂捕集、光催化污染物降解、环境传感以及与储能相关的脱碳效益。本综述批判性评估目前制约放大的可持续性指标、生命周期考量和技术经济瓶颈，并识别关键研究缺口，包括需要对煤来源进行标准化报告、统一绿色化学指标，以及对煤基纳米材料在真实环境基质中的长期现场验证。本综述旨在引导材料科学家、环境工程师和煤炭利用政策制定者形成一致的研究议程，将遗留化石资源转化为高价值、环境有益的纳米材料。

煤长期几乎仅作为燃烧燃料使用，但已探明储量丰富且地理分布广，足以按当前开采速率维持一个多世纪。煤燃烧带来颗粒物、硫氧化物、氮氧化物以及CO₂排放，全球能源系统脱碳使煤作为燃烧燃料的长期角色收缩。因此，研究人员需要寻找现有煤炭储量、采矿残渣及煤衍生副产物（如粉煤灰、煤焦油）的高值化、低排放利用途径。煤在分子层面是由稠合芳香和氢化芳香簇、脂肪桥及杂原子官能团构成的高度异质大分子网络，这种结构复杂性使其适合作为碳纳米材料（carbon nanomaterials, CNMs）前驱体。但是，煤来源变异、杂质与矿物质、绿色化学、生命周期评估（life-cycle assessment, LCA）、放大和技术经济瓶颈、真实环境基质现场验证不足等问题仍突出。基于此，研究人员开展了关于煤向碳纳米材料转化的系统综述。

关键技术方法概括：研究人员检索Web of Science Core Collection、Scopus和SciFinder三个数据库，辅以引文滚雪球，检索1998—2026年英文同行评议期刊论文、书籍章节和权威技术/机构报告，使用布尔检索式组合煤相关词、碳纳米材料词和转化策略词；纳入煤、煤衍生物制碳纳米材料及与煤作可持续性比较的研究，排除仅非煤前驱体、会议摘要、非同行评议预印本、学位论文、非英文文献和重复数据。采用PRISMA风格流程，单评审员筛选，最终纳入28项研究，并以叙述性、比较性方式综合。样本队列来源为上述文献数据库，无临床样本队列。

研究结果如下。3 Coal作为前驱体：结构与组成及煤阶依赖反应性：研究人员总结煤是异质沉积岩，煤阶从褐煤经亚烟煤、烟煤到无烟煤，伴随含氧官能团减少、芳香性和层间有序增加；低阶煤更易氧化碎裂为碳点（carbon dots, CDs）和GO，高阶煤更适合石墨质和管状纳米碳。3.1 大分子结构：煤为三维大分子网络，含2—6个稠合环的芳香/氢化芳香簇、脂肪和醚桥及羟基、羰基、羧基、甲氧基等，mobile phase可被溶剂提取，是CDs和石墨烯量子点（graphene quantum dots, GQDs）的预形成多环芳香构建块。3.2 矿物与杂原子：煤含黏土、碳酸盐、硫化物、石英等矿物质，铁等过渡金属矿物可原位催化石墨化或CNTs成核，硫、氮可实现原位掺杂；砷、汞、铅、镉、铬、硒等微量元素归趋少被系统表征，需用ICP-MS或ICP-OES和浸出试验评估。3.3 按煤阶选择前驱体：低阶煤用于氧化切割制CDs和GO，烟煤用于热解和水热制多孔碳和碳纳米纤维（carbon nanofibers, CNFs），无烟煤用于石墨烯和CNTs。4 可持续转化策略：研究对比能量强度、碳产率、溶剂/试剂消耗、反应严重性、废物和温室气体。4.1 热解/活化：500—900 °C，KOH/ZnCl₂活化，20—50%进料碳保留为固体碳，可放大但能耗高、废液需处理。4.2 水热/溶剂热碳化：150—250 °C、自生压力，适合低阶煤制CDs和GQDs，低温水相但产率偏低。4.3 化学氧化剥离：Hummers型H₂SO₄/KMnO₄制GO和还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide, rGO），产生大量酸性含锰废液。4.4 电弧放电/激光烧蚀：高能、小批量，制富勒烯、多壁碳纳米管（MWCNTs）和碳洋葱，产率低且需纯化。4.5 化学气相沉积/催化石墨化：600—1000 °C，Fe/Ni/Co催化，制石墨烯膜、CNTs或复合物，结构控制好但催化剂成本和金属去除受限。4.6 机械化学/球磨：室温、少溶剂，制碳纳米片或CDs，尺寸分布较宽。4.7 微波辅助合成：快速体积加热，数分钟，制CDs和GO，节能但连续放大反应器受限。4.8 电化学剥离：施加电位于水或离子液体电解质，制石墨烯或类GO片层，温和且可与可再生电力兼容，但缺陷较多。5 煤基碳纳米材料类别：5.1 CDs和GQDs为0D、2—10 nm，具尺寸/表面态依赖光致发光，低阶煤有利，N/S掺杂提高量子产率，尺寸、氧官能度和边缘化学可调带隙。5.2 石墨烯和GO为2D高比表面平台，煤基产物侧向尺寸较小、缺陷和杂原子较多，利于吸附和电化学，退火可恢复石墨质有序。5.3 CNTs经电弧、CVD或原位催化石墨化制得，具高长径比和导电性，煤中铁矿物可作内源催化剂，但管径分布宽。5.4 富勒烯碳从电弧或燃烧烟灰中获得，收率低，成熟度较低。5.5 多孔和活性炭纳米结构是工业成熟类别，比表面积可超过2000—3000 m²/g，接近或超过单层石墨烯理论值约2630 m²/g，但BET可能高估约30%，模板法可控制孔结构。5.6 CNFs多由催化热解或煤焦油沥青静电纺丝碳化制得，用于导电添加剂、过滤介质和电极支架。6 表征方法：6.1 结构与晶体学用XRD跟踪002峰和0.335 nm层间距，Raman用D/G带比和2D带评估缺陷与层数。6.2 形貌用SEM、TEM和AFM观察多孔碳、纤维、CDs、石墨烯和CNTs。6.3 化学与表面用XPS和FTIR确认氧官能团及N/S掺杂。6.4 织构与热分析用BET测比表面积和孔径，TGA测热稳定性和灰分。6.5 光学表征用UV-Vis和PL测CDs/GQDs吸收、发射和量子产率。7 可持续性与绿色化学：7.1 原料上可高值化煤、粉煤灰、煤矸石、煤焦油沥青和低阶煤细粉，具循环经济意义。7.2 水热、微波、机械化学和电化学路线较绿色，Hummers型产生废酸和含锰废物。7.3 能源强度差异大，LCA稀缺，需明确功能单位和系统边界，并与常规非煤路线及生物质路线比较，不能仅凭资源高值化声称净环境效益。7.4 循环碳经济框架下，煤碳保留在固体材料中而非燃烧，但当前规模小，应谨慎表述。8 环境应用：8.1 重金属去除中，煤基多孔碳、GO和CDs吸附Pb、Cd、Cr、Hg、As，受pH、接触时间和氧化程度影响。8.2 染料和有机污染物吸附利用高比表面、可调电荷和π-π堆积，部分性能与商业活性炭竞争；2025年洋葱皮磁性活性炭研究和2025年碳纳米材料环境修复综述提示毒性、稳定性和放大仍是共同限制。8.3 油水分离使用疏水或两亲多孔碳泡沫和CNFs膜。8.4 CO₂捕集利用微/介孔和N掺杂增强CO₂亲和力。8.5 环境传感利用CDs/GQDs荧光猝灭或比率变化检测Fe³⁺、Hg²⁺、Cr(VI)、硝基芳香和酚类污染物及pH。8.6 光催化降解中，煤基碳材料与TiO₂、ZnO等复合，改善电荷分离和可见光吸收。8.7 储能和间接环境效益包括超级电容器和电池电极，如低阶煤活性炭对称超级电容器、分级多孔煤基石墨烯超级电容器和煤基多孔碳在水系、water-in-salt及有机电解质中的袋式电池。9 挑战与未来展望：9.1 原料变异和标准化不足。9.2 纯化和矿物质去除产生二次废物，需温和选择性脱矿或利用矿物催化。9.3 放大和技术经济可行性仍不足，需连续流反应器。9.4 标准化LCA缺乏，应进行 cradle-to-gate 或 cradle-to-grave 评估。9.5 长期环境归趋和真实基质现场验证不足。9.6 新兴方向包括煤气化合成气耦合CNTs/CNFs生长、机器学习优化、无氧化剂或低氧化剂剥离、生物炼厂式煤高值化及现场规模验证与LCA/技术经济分析。讨论部分总结：该综述强调煤制碳纳米材料具有科学和资源优势，但需通过标准化前驱体报告、绿色转化化学、严格LCA和技术经济分析以及真实环境基质验证，才能推进部署。

研究结论部分翻译：煤长期以来主要被视为燃烧燃料，但它作为广泛碳纳米材料家族的科学丰富且经济有吸引力的前驱体，涵盖零维碳点和石墨烯量子点、二维石墨烯和氧化石墨烯、一维碳纳米管和纳米纤维以及三维多孔活性炭架构。煤大分子结构中预先存在的多环芳香结构和杂原子官能团赋予真正的合成优势，包括减少单独芳香前驱体合成的需要，并在若干路线中实现内在杂原子掺杂，相较于由纯化分子或生物质前驱体合成纳米碳。多样转化策略，从低温水热和机械化学路线到高温热解、CVD和电弧放电方法，使煤阶和加工条件可与特定目标纳米碳架构匹配，而成熟的多模态表征工具包支持严格的结构-性质验证。同时，该领域仍受原料变异和报告标准不一致、强氧化剥离化学相关的环境负担、标准化生命周期评估普遍缺失，以及有前景的实验室规模环境应用演示与现场验证、经济可行部署之间持续差距的制约。通过标准化前驱体表征、更绿色低氧化剂或无氧化剂转化化学、严格技术经济和生命周期分析以及扩展真实基质现场验证来应对这些差距，代表一个一致且可实现的研究议程。沿此方向推进，煤向碳纳米材料转化提供了一条有科学依据的路径，将遗留化石碳资源转向直接支持水处理、空气质量和清洁能源应用的材料，为正在经历更广泛全球能源转型的产煤地区贡献真正但范围适当的增值多元化策略。作者：Melese Damtew Asfaw。