煤基多孔碳憑借其豐富的孔隙結構、高比表面積和可調控的表面性質，在多個領域展現出廣泛應用價值，以下是其核心應用場景及典型案例：

一、環境治理領域

1. 廢水處理

功能：吸附水中重金屬離子（如 Pb2?、Cd2?）、有機污染物（染料、農藥、抗生素）。

優勢：高吸附容量（如 KOH 活化的煤基多孔碳對亞甲基藍的吸附量可達 1200 mg/g，是商用活性炭的 2 倍以上）。

應用場景：工業廢水深度處理、飲用水凈化、礦區酸性廢水修復。

2. 廢氣處理

功能：吸附工業廢氣中的 SO?、NO?、VOCs（揮發性有機物），或作為碳捕集材料（CCUS）吸附 CO?。

案例：介孔煤基碳用于電廠煙氣脫硫，通過表面含氧官能團增強對 SO?的化學吸附。

二、能源存儲與轉化領域

1. 超級電容器

作用：作為電極材料，利用高比表面積（可達 3000 m2/g）和導電性提升儲能效率。

數據：以介孔煤基碳為電極的電容器，能量密度可達 30 Wh/kg，接近商用活性炭水平。

2. 鋰離子電池

功能：

微孔結構抑制鋰枝晶生長，提升安全性；

介孔促進電解液滲透，提高離子傳輸效率。

應用：用作負極材料或復合電極添加劑，改善電池循環穩定性。

3. 燃料電池

作用：作為催化劑載體（如負載 Pt、Pd 納米顆粒），用于氧還原反應（ORR）或甲醇氧化反應（MOR）。

優勢：多孔結構提供高分散性負載位點，減少貴金屬用量并提升催化活性。

三、催化與化工領域

1. 催化劑載體

應用：

加氫反應（如植物油氫化）；

費托合成反應（Fe 負載煤基碳可提升 C?+ 烴類選擇性）；

環境催化（如光催化降解污染物）。

2. 吸附分離

功能：利用孔徑篩分效應分離氣體混合物（如 CH?/CO?分離）或液體同分異構體（如二甲苯異構體）。

案例：微孔煤基碳用于頁巖氣中 CH?與 CO?的高效分離，降低提濃成本。

四、新興高技術領域

1. 生物醫學

應用：

藥物載體：表面修飾后的煤基多孔碳負載抗癌藥物，通過孔隙結構實現緩釋；

生物傳感器：利用表面官能團（如羧基）固定生物分子（酶、抗體），檢測生物標志物。

2. 傳感器技術

功能：基于導電性和表面活性，構建氣體傳感器（檢測 NH?、H?S）或濕度傳感器。

原理：氣體分子吸附引起材料電阻變化，通過信號轉換實現定量檢測。

3. 電磁屏蔽與儲能器件

應用：高石墨化煤基多孔碳（如無煙煤基）用于電磁屏蔽材料或固態電解質載體，提升器件綜合性能。

五、傳統工業與材料領域

1. 工業吸附劑

場景：食品加工（脫色、除味）、石化行業（潤滑油精制）、貴金屬回收（吸附金、銀離子）。

2. 復合材料增強劑

功能：添加到聚合物（如環氧樹脂、橡膠）中，提升材料的力學強度、導電性或熱穩定性。

案例：煤基多孔碳 - 碳纖維復合材料用于航空航天輕量化部件。

六、優勢與發展趨勢

核心優勢

原料成本低：依托煤炭資源，適合大規模工業化生產；

性能可定制：通過活化工藝調控孔隙結構（微孔 / 介孔 / 大孔），適配不同場景需求。

未來發展方向

綠色制備：開發微波輔助活化、生物活化等無試劑工藝，降低環境污染；

復合化設計：與石墨烯、金屬氧化物等材料復合，構建多功能協同體系（如高導電 - 高催化活性復合材料）；

高值化應用：向氫能存儲（吸附 H?）、固態電池、電催化 CO?還原等前沿領域拓展。

煤基多孔碳的應用貫穿 “環境治理 - 能源革命 - 制造” 鏈條，其技術創新不僅推動煤炭資源的高效利用，也為碳中和目標下的新型碳材料產業提供了重要方向。