本成果来源于国家自然科学基金项目（项目名称：煤基石墨烯的制备及其结构与性能研究，项目编号21276207）。主要根据中国不同变质程度煤组成及结构特点，研究煤基石墨烯系列材料构筑机理。诠释了以煤为原料制备煤基石墨烯系列材料的特点和基本规律；建立了构筑煤基石墨烯及其复合纳米复合结构的新方法及调控策略；阐明了催化石墨化及微波和低温等离子体处理等对煤中芳香基本结构单元的芳香层片结构之生长、剪裁、组装及转化的协同作用机制；建立了制备结构和性能可调控的石墨烯材料的技术平台。此外，还建立并构筑了石墨烯金属/金属氧化物纳米复合材料之结构和性能的基本策略；揭示石墨烯纳米复合材料在超级电容器及CO2光催化领域的基本性质和构效关系。为煤的资源化高附加值利用提供理论基础。成果的主要发现如下：

（1）不同煤岩组分催化石墨化特性

        研究发现神府煤的惰质组比原煤和镜质组更难石墨化，且具有较高的热稳定性，惰质组的芳构化程度要高于原煤及镜质组，芳香C-C键非常牢固，并且含有较多的芳香网状结构，芳香度较高，惰质组热解中芳环体系保持相对稳定，与镜质组相比，惰质组更易石墨化。添加金属铁与非金属硼酸催化剂，有利于原煤及其煤岩组分石墨化。

（2）煤基石墨烯的制备技术及机理

        以太西煤为原料通过高温热处理过程制得超纯微细石墨粉，进一步通过化学氧化还原的方法制备得到石墨烯，但低变质煤得到的石墨烯品质相对较差。低变质程度煤通过CVD法可制备石墨烯，而且烟煤相较褐煤含有更多的芳香环，更容易将煤分子"剪裁"得到芳香结构单元，在基底上沉积得到更高品质的石墨烯。

        以煤炭为碳源前驱体，采用"分子剪切"策略，融合表面还原修饰技术，合成了具有特殊光致发光特性的煤基碳量子点（CQDs），利用炭化工艺进一步修饰调控碳微晶的形貌和结构，实现了产物煤基CQDs粒径大小的可控调节。以煤基CQDs为催化剂，高导电的石墨烯为载体，构建了一种CQDs/石墨烯复合催化材料，在电催化氧还原反应（ORR）中表现出类铂的催化活性，其稳定性甚至优于商业Pt/C催化剂。

        利用化学功能化-冷冻干燥-微波处理等技术，成功制备出孔隙高度发达和力学性能优异的石墨烯宏观体材料。该石墨烯宏观体具有优异的力学性能和高达的孔隙率，而且具有良好的回弹性。

（3）煤基石墨烯及其复合材料的光催化特性研究

        以煤基氧化石墨烯为载体，通过机械力混合及水热合成技术成功制备了得到金属或金属氧化物/煤基石墨烯系列复合材料，并将其作为光催化剂用于CO2的光催化过程。研究发现煤基石墨烯复合材料的光催化活性均优于煤基石墨烯及常规光催化剂的光催化活性；通过化学还原及冷冻干燥合成的三维煤基石墨烯宏观体复合材料，具有发达的三维网状孔隙结构和多片层状结构，为光催化反应提供传质通道和电荷转移路径，具有良好的光催化活性。

（4）纳米金属化合物/石墨烯复合电极材料制备及电化学特性研究

        将纳米MnO2与煤基石墨烯进行复合，得到电化学性能优异的复合电极材料，当煤基石墨烯含量为30%（质量比）时显示出高达281.8F/g的首次充放电比电容量；以整体性炭材料-柔性石墨纸（GP）为基底，成功构筑出碱式碳酸镍钴纳米线（NiCo-CH）耦合NiCoAl-LDH纳米片的三维多孔纳米复合材料（LDH-NPs/CH-NWs）。可以有效分散NiCoAl-LDH纳米片，使之形成疏松的三维开放结构，进而实现电解液在其内部的快速传输，用作超级电容器的电极，表现出优异的电化学性能；以GO为基本结构单元，单分散的NiCo-CH纳米线为柱撑，设计并成功构筑出二维石墨烯与单分散NiCo-CH纳米线交替耦联的整体性复合膜材料（G-CH）。GO表面的含氧官能团可诱导线状NiCo-CH的生长并调控其单分散状态，可形成网络状疏松开放结构，有助于电解液离子的快速传输，作为超级电容器的电极材料，表现出优异的电化学性能；以NiCo-CH纳米线和二维石墨烯为基本组元，基于柯肯达尔效应（Kirkendall Effect）的阴离子交换反应，通过精细调控固/液界面反应活性，研究建立了合成边缘高活性镍钴硫化物（Ni-Co-S）耦合石墨烯的技术策略。该复合材料作为超级电容器的电极材料，呈现出较高的比电容和优异的倍率性能，理论模拟计算及导电聚合物-聚苯胺（PANI）的结构导向和桥联作用，我们提出了超薄NiCo2O4纳米片在石墨烯表面垂直生长的新思路。