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煤制石墨烯材料的研究探索，中国科学院大学生创新实践训练计划项目结题报告，共15页，5754字。
摘要：分别以阳泉无烟煤和晋城无烟煤为原料，通过不同方法与催化剂（硫酸镍或硝酸铁）复合，经催化石墨化、粉碎和筛分，得到煤基石墨，研究催化剂种类和复合方法对不同煤种石墨化过程的影响。然后采用氧化还原法，将所得石墨粉制成石墨烯，通过调整配比探究高锰酸钾与浓硫酸对石墨烯制备过程的影响。本论文可为无烟煤制备石墨烯提供理论和实验指导，给煤炭资源的高附加值利用提供了新路线，同时拓宽了石墨烯制备的原料来源。
关键词：无烟煤；催化石墨化；石墨烯

1 项目概况
1.1项目背景及意义
有人说，在二十一世纪，只有材料科学的研究取得突破性进展，才能给科技发展奠定良好的基础。回首第三次科技革命以来的几十年，我们发现近一百年内，几乎所有的重大突破性科技进步都与材料科学的突破有关，例如硅的应用使半导体、金属陶瓷和光纤通信等方面的技术得以突飞猛进的发展，使人类更快地步入了信息时代。如果说，二十世纪是硅的时代，那么二十一世纪则是碳的时代。石墨烯(Graphene)是由单层碳原子构成的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学安德烈•盖姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯特殊的结构形态，赋予其优异的力、热、光、电等性能[1]。因此，在微电子、能源存储与转化、复合材料和航空航天等领域具有广泛的潜在应用。
以天然石墨为原料的氧化还原法是目前大规模粉体制备主流路线之一。所制石墨烯具有剥离效率高、比表面积大和活性高等优点，主要用作锂电池和超级电容器等储能器件的导电填料，以及油墨、涂料、陶瓷、橡胶和塑料的结构增强和功能填料。
煤的主要成分是碳元素，且大多数以sp2杂化形式存在于类石墨结构的苯环中。因此，可以更廉价的煤为原料，通过一系列手段，制备出高附加值的石墨烯是可行的，其成本将大大低于目前的工艺路线制备的石墨烯[2]。
与此同时，山西作为传统煤炭大省，以五大集团为首的传统行业体系因企业管理落后、生产技术粗放、人员冗余严重等问题的困扰，已经逐渐显现日薄西山之势。此外，国家战略层次上，先后开始了一带一路战略以及与俄罗斯签订天然气合同，可以看到，即便山西省煤炭企业熬过这段堪称行业寒冬的困难时期，还是要面对中东的石油、俄罗斯的天然气的挑战，以及与越南、澳洲煤炭共同挤占发电、取暖等能源市场的局面。因此，延伸煤炭产业链，通过煤炭制备高附加值石墨烯将是解决目前山西省煤炭行业所面临困境的出路之一，对于山西省产业转型和经济发展具有十分重要的战略意义。
1.2 项目任务及实施情况
研究煤在催化石墨化过程中微观结构和化学组成演变规律；研究不同原料所制石墨烯微观结构和化学组成特点及其对储能性能的影响；探索煤基石墨烯在储能领域的应用探索。
2015.10-2015-12：探索煤的催化石墨化条件；
2016.01-2016.03：研究石墨炭的提纯工艺；
2016.04-2016.06：通过氧化还原法制得石墨烯；
2016.07-2016.09：探索煤基石墨烯的储能应用；
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