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宁夏煤制石墨烯的微观结构演化特征:综合表征分析

李瑞青, 唐跃刚, 罗鹏, 琚敏敏, 徐晓婷

李瑞青,唐跃刚,罗 鹏,等. 宁夏煤制石墨烯的微观结构演化特征:综合表征分析[J]. 煤炭科学技术,2025,53(5):390−406. DOI: 10.12438/cst.2024-0281
引用本文: 李瑞青,唐跃刚,罗 鹏,等. 宁夏煤制石墨烯的微观结构演化特征:综合表征分析[J]. 煤炭科学技术,2025,53(5):390−406. DOI: 10.12438/cst.2024-0281
LI Ruiqing,TANG Yuegang,LUO Peng,et al. Evolutionary characteristics of microstructure of coal-based graphene fromNingxia coals: Comprehensive characterized analysis[J]. Coal Science and Technology,2025,53(5):390−406. DOI: 10.12438/cst.2024-0281
Citation: LI Ruiqing,TANG Yuegang,LUO Peng,et al. Evolutionary characteristics of microstructure of coal-based graphene fromNingxia coals: Comprehensive characterized analysis[J]. Coal Science and Technology,2025,53(5):390−406. DOI: 10.12438/cst.2024-0281

宁夏煤制石墨烯的微观结构演化特征:综合表征分析

基金项目: 

国家自然科学基金资助项目(41872175);宁夏回族自治区重点研发计划资助项目(2021BEG02015);山西省地质勘查基金资助项目(2019-25)

详细信息
    作者简介:

    李瑞青: (1992—)男,山东兖州人,博士研究生。E-mail:lrq171106@163.com

    通讯作者:

    唐跃刚: (1958—)男,重庆人,教授,博士生导师,博士。E-mail:tyg@vip.163.com

  • 中图分类号: TQ127.1

Evolutionary characteristics of microstructure of coal-based graphene fromNingxia coals: Comprehensive characterized analysis

  • 摘要:

    煤基碳材料的制备和表征是一个热门研究领域。煤基石墨烯的结构特征不仅决定了产品的性能,还可为产品制备过程中的工艺调控提供参考。因此,有必要对煤基石墨烯的微观形态和结构有一个清晰的了解。研究采集了宁夏回族自治区8个不同煤阶的煤样,化学脱矿后高温石墨化处理得到煤基石墨,采用改进的Hummer’s氧化还原法制备煤基石墨烯,并通过X射线衍射、拉曼、原子力显微镜和高分辨率透射电镜综合表征获得了煤基石墨烯的微观形貌和结构参数。结果表明:宁夏回族自治区不同煤阶的煤样所制备的煤基石墨烯均为少层石墨烯,高温石墨化可显著提高煤结构的有序度和石墨化度,有利于煤基石墨烯的制备,尤其对低煤阶的煤最为显著。煤基石墨的石墨化度均超过0.70,最高为0.99。煤阶越高,所制备的石墨烯片层的直径和堆砌高度越大、缺陷更少、剥离效果也越好。所制备的煤基石墨烯的直径在3.78~13.04 nm,层间距均超过了0.355 0 nm,最高可达0.366 1 nm。且随煤阶的升高,煤基石墨烯直径的增大要比堆砌高度更显著,因此,煤基石墨烯的形态总体趋于扁平状演化。煤的黏结性会造成煤基石墨烯表面粗糙度的增大,但不会影响石墨烯芳香层的晶型与有序度的发展。随煤阶的升高,石墨烯结构经历了涡轮型—Y型—半直面型—直面型的演化路径。直面型的石墨烯结构是煤结构在煤基石墨烯制备过程中演化的最终形态,表现为明显的剥离、卷曲和舒展的特征,这也为石墨烯台阶状的形成提供了可能。

    Abstract:

    The preparation and characterization of coal-based carbon materials is a hot topic. The structural characteristics of coal-based graphene not only determine the performance of the products, but also provide reference for process control during product preparation. Therefore, it is necessary to have a clear understanding of the microstructure and morphology of coal-based graphene. This study collected 8 different coal ranks coals in Ningxia, and obtained coal-based graphite through high-temperature graphitization treatment after chemical demineralization. Graphene was prepared using an improved Hummer’s redox method, and the microstructure and structural parameters of coal-based graphene were comprehensively characterized by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, atomic force microscopy, and high-resolution transmission electron microscopy. The results indicate that the coal–based graphene products prepared from coal samples of different coal ranks in Ningxia are all few-layer graphene. Graphitization can significantly improve the order and graphitization degree of coal structure, which is beneficial for the preparation of coal-based graphene, especially for low coals. In this study, the graphitization degree of coal-based graphites are more than 0.70, and the highest is 0.99. The higher the coal rank, the larger the diameter and stacking height of the graphene prepared, the fewer defects, and the better the peeling effect. and better the stripping effect of graphene prepared. The diameter of the coal-based graphene prepared in this study ranges from 3.78 to 13.04 nm, with interlayer spacing exceeding 0.355 0 nm and a maximum of 0.366 1 nm. As the coal rank increases, the diameter of coal-based graphene increases more significantly than the stacking height, the morphology of coal-based graphene tends to develop in a flattened form in general. The caking of coals can cause an increase in the surface roughness of graphene, but it does not affect the development of the crystal form and order of graphene microcrystalline domains. As the coal rank increases, the graphene structure undergoes an evolution path of vortex type -Y-type - semi-plane type -plane type. The plane type graphene structure is the final form of coal structure evolution during the preparation of coal-based graphene, characterized by obvious peeling, curling, and stretching, which also provides the possibility for the formation of step like of graphene structures.

  • 图  1   样品采集分布

    Figure  1.   Samples collection distribution map

    图  2   脱灰煤、煤基石墨和煤制石墨烯的XRD图谱

    Figure  2.   XRD patterns of demineralized coal, coal-based graphite, and coal-based graphene

    图  3   反射率与XRD参数的关系

    Figure  3.   Relationship between reflectance and XRD parameters

    图  4   脱灰煤、煤基石墨、和煤制石墨烯的Raman图谱

    Figure  4.   Raman spectra of demineralized coal, coal-based graphite, and coal-based graphene

    图  5   反射率与Raman结构参数的关系

    Figure  5.   Relationship between Raman structural parameters and reflectance

    图  6   宁夏煤制石墨烯样品的AFM图像

    Figure  6.   AFM images of coal-based graphene from Ningxia coals

    图  7   宁夏煤制石墨烯样品的HRTEM图像

    Figure  7.   HRTEM images of coal-based graphene from Ningxia coals

    表  1   样品的煤岩煤质基本特征

    Table  1   Basic characteristics of selected coal samples.

    样品 Rr/% 工业分析/% 元素分析/% GR.I 显微组分/%
    Mad Ad Vdaf Cdaf Hdaf Ndaf Odaf St,d V I L M
    WW 0.54 10.80 21.85 35.46 75.18 4.38 0.66 19.08 0.55 0 53.8 30.7 1.1 14.4
    YCW 0.65 12.19 6.68 28.01 80.74 3.63 0.71 14.23 0.64 0 48.8 48.0 3.2
    MLT 0.73 2.10 32.22 36.21 77.82 5.16 1.42 14.74 0.58 69 49.6 32.9 17.5
    SGQ 0.86 0.56 11.58 34.34 87.08 5.09 1.88 4.63 1.17 91 61.7 28.7 1.0 8.6
    WE 0.96 0.97 10.89 30.75 87.90 4.76 1.54 4.43 1.22 94 65.6 25.9 0.2 8.3
    WCG 2.08 1.03 10.61 11.61 91.55 3.46 1.38 1.92 1.51 6 71.2 19.4 1.6 7.8
    BJG 2.65 0.43 4.49 9.60 94.34 3.59 0.76 1.30 0.01 0 89.6 7.6 2.8
    JGS 5.80 4.19 0.82 2.34 96.61 1.75 0.59 0.16 0.88 0 90.9 6.8 2.3
      注:Rr为镜质体随机反射率;GR.I为黏结指数;V为镜质组;I为惰质组;L为类脂组;M为矿物。
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    表  2   XRD拟合结构参数

    Table  2   XRD fitting structural parameters

    样品 2θγ/
    (°)
    FWHMγ Aγ 2θ002 /
    (°)
    FWHM002 /
    (°)
    A002 2θ100 /
    (°)
    FWHM100 /
    (°)
    d002/
    nm
    La/
    nm
    Lc/
    nm
    La/Lc Nave fa G
    D-WW 18.43 13.48 5543.60 24.73 4.31 1883.92 44.58 13.49 0.3597 1.30 1.97 0.66 6.48 0.25
    D-YCW 16.43 14.14 11163.46 24.28 4.26 3957.97 43.81 12.58 0.3663 1.39 1.99 0.70 6.44 0.26
    D-MLT 24.56 6.54 4234.90 25.66 4.57 2060.00 44.51 10.35 0.3469 1.70 1.86 0.91 6.37 0.33
    D-SGQ 22.41 8.24 2056.77 25.45 4.45 1199.67 43.79 8.20 0.3497 2.13 1.91 1.12 6.47 0.37
    D-WE 22.22 4.21 2963.65 25.62 4.52 3275.41 43.86 8.50 0.3474 2.06 1.88 1.09 6.42 0.52
    D-WCG 17.10 15.27 3761.73 25.08 4.64 7011.37 43.57 5.90 0.3548 2.96 1.83 1.62 6.16 0.66
    D-BJG 21.49 4.58 2821.65 25.57 4.52 7901.94 43.54 4.78 0.3481 3.66 1.88 1.94 6.41 0.74
    D-JGS 21.04 4.72 38278.76 25.37 4.85 271358.88 43.56 3.55 0.3508 4.93 1.75 2.81 6.00 0.88
    G-WW 26.35 0.73 42.60 0.91 0.3380 19.15 11.67 1.64 35.54 0.70
    G-YCW 26.35 0.77 42.69 0.94 0.3380 18.55 11.06 1.68 33.74 0.70
    G-MLT 26.37 0.80 42.59 0.69 0.3377 25.26 10.65 2.37 32.54 0.73
    G-SGQ 26.41 0.76 42.63 0.70 0.3372 24.90 11.21 2.22 34.25 0.79
    G-WE 26.4 0.76 42.63 0.73 0.3373 23.88 11.21 2.13 34.24 0.78
    G-WCG 26.43 0.58 42.52 0.45 0.3369 38.72 14.69 2.64 44.60 0.82
    G-BJG 26.46 0.45 42.49 0.44 0.3366 39.60 18.94 2.09 57.27 0.86
    G-JGS 26.55 0.19 42.38 0.17 0.3355 102.45 44.86 2.28 134.73 0.99
    GS-WW 19.64 4.87 17150.53 24.83 9.25 112121.65 43.54 4.58 0.3583 3.82 0.92 4.16 3.56 0.87
    GS-YCW 19.25 4.68 1738.91 24.86 9.41 14277.02 43.51 4.63 0.3579 3.78 0.90 4.18 3.52 0.89
    GS-MLT 17.26 4.60 821.26 24.77 8.79 21232.23 43.53 4.35 0.3591 4.02 0.97 4.16 3.69 0.96
    GS-SGQ 16.42 4.23 522.37 24.71 9.04 18514.06 43.44 4.02 0.3600 4.35 0.94 4.63 3.61 0.97
    GS-WE 16.44 4.00 362.68 24.78 8.48 16835.17 43.42 4.09 0.3590 4.27 1.00 4.27 3.79 0.98
    GS-WCG 16.01 4.27 245.00 24.50 7.37 19548.69 43.39 3.03 0.3630 5.77 1.15 5.01 4.17 0.99
    GS-BJG 16.01 3.63 214.83 24.52 7.34 15628.75 43.43 2.88 0.3627 6.07 1.16 5.25 4.19 0.99
    GS-JGS 16.00 3.58 103.82 24.29 6.55 19907.80 43.40 1.34 0.3661 13.04 1.30 10.07 4.54 0.99
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    表  3   Raman拟合结构参数

    Table  3   Raman fitting structural parameters

    样品D峰G峰峰位差/cm−1缺陷度(ID/IG
    峰位/cm−1半峰宽/cm−1峰位/cm−1半峰宽/cm−1
    D-WW1357.61160.281586.5196.06228.90.63
    D-YCW1356.21212.351590.6483.20234.430.49
    D-MLT1354.31216.881588.3282.77234.010.50
    D-SGQ1353.27273.961595.5072.35242.230.59
    D-WE1343.79197.171589.6976.12245.900.46
    D-WCG1327.37149.801596.7955.52269.420.36
    D-BJG1324.43158.051598.1751.84273.740.46
    D-JGS1323.77159.221598.9250.91275.150.43
    G-WW1351.3941.971584.2437.23232.850.37
    G-YCW1350.6739.931582.1729.39231.500.23
    G-MLT1351.7139.891581.1929.32229.480.19
    G-SGQ1349.3740.271580.3329.62230.960.18
    G-WE1345.4241.591575.0130.12229.590.18
    G-WCG1351.2234.711580.4726.23229.250.10
    G-BJG1346.7635.861575.7725.72229.010.08
    G-JGS1352.0728.661580.3042.69228.230.02
    GS-WW1349.06129.451587.7286.79238.661.05
    GS-YCW1350.80143.891588.3394.49237.531.05
    GS-MLT1350.11137.961587.4888.91237.371.02
    GS-SGQ1350.68130.181589.8085.26239.120.99
    GS-WE1352.64139.141584.0492.05231.400.94
    GS-WCG1354.63156.211590.0989.21235.460.92
    GS-BJG1347.88149.621579.9992.17232.110.89
    GS-JGS1349.17146.641580.9589.17231.780.87
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-05
  • 网络出版日期:  2025-05-11
  • 刊出日期:  2025-05-24

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