煤基多孔碳凭借其丰富的孔隙结构、高比表面积和可调控的表面性质，在多个领域展现出广泛应用价值，以下是其核心应用场景及典型案例：

一、环境治理领域

1. 废水处理

功能：吸附水中重金属离子（如 Pb²⁺、Cd²⁺）、有机污染物（染料、农药、抗生素）。

优势：高吸附容量（如 KOH 活化的煤基多孔碳对亚甲基蓝的吸附量可达 1200 mg/g，是商用活性炭的 2 倍以上）。

应用场景：工业废水深度处理、饮用水净化、矿区酸性废水修复。

2. 废气处理

功能：吸附工业废气中的 SO₂、NOₓ、VOCs（挥发性有机物），或作为碳捕集材料（CCUS）吸附 CO₂。

案例：介孔煤基碳用于电厂烟气脱硫，通过表面含氧官能团增强对 SO₂的化学吸附。

二、能源存储与转化领域

1. 超级电容器

作用：作为电极材料，利用高比表面积（可达 3000 m²/g）和导电性提升储能效率。

数据：以介孔煤基碳为电极的电容器，能量密度可达 30 Wh/kg，接近商用活性炭水平。

2. 锂离子电池

功能：

微孔结构抑制锂枝晶生长，提升安全性；

介孔促进电解液渗透，提高离子传输效率。

应用：用作负极材料或复合电极添加剂，改善电池循环稳定性。

3. 燃料电池

作用：作为催化剂载体（如负载 Pt、Pd 纳米颗粒），用于氧还原反应（ORR）或甲醇氧化反应（MOR）。

优势：多孔结构提供高分散性负载位点，减少贵金属用量并提升催化活性。

三、催化与化工领域

1. 催化剂载体

应用：

加氢反应（如植物油氢化）；

费托合成反应（Fe 负载煤基碳可提升 C₅+ 烃类选择性）；

环境催化（如光催化降解污染物）。

2. 吸附分离

功能：利用孔径筛分效应分离气体混合物（如 CH₄/CO₂分离）或液体同分异构体（如二甲苯异构体）。

案例：微孔煤基碳用于页岩气中 CH₄与 CO₂的高效分离，降低提浓成本。

四、新兴高技术领域

1. 生物医学

应用：

药物载体：表面修饰后的煤基多孔碳负载抗癌药物，通过孔隙结构实现缓释；

生物传感器：利用表面官能团（如羧基）固定生物分子（酶、抗体），检测生物标志物。

2. 传感器技术

功能：基于导电性和表面活性，构建气体传感器（检测 NH₃、H₂S）或湿度传感器。

原理：气体分子吸附引起材料电阻变化，通过信号转换实现定量检测。

3. 电磁屏蔽与储能器件

应用：高石墨化煤基多孔碳（如无烟煤基）用于电磁屏蔽材料或固态电解质载体，提升器件综合性能。

五、传统工业与材料领域

1. 工业吸附剂

场景：食品加工（脱色、除味）、石化行业（润滑油精制）、贵金属回收（吸附金、银离子）。

2. 复合材料增强剂

功能：添加到聚合物（如环氧树脂、橡胶）中，提升材料的力学强度、导电性或热稳定性。

案例：煤基多孔碳 - 碳纤维复合材料用于航空航天轻量化部件。

六、优势与发展趋势

核心优势

原料成本低：依托煤炭资源，适合大规模工业化生产；

性能可定制：通过活化工艺调控孔隙结构（微孔 / 介孔 / 大孔），适配不同场景需求。

未来发展方向

绿色制备：开发微波辅助活化、生物活化等无试剂工艺，降低环境污染；

复合化设计：与石墨烯、金属氧化物等材料复合，构建多功能协同体系（如高导电 - 高催化活性复合材料）；

高值化应用：向氢能存储（吸附 H₂）、固态电池、电催化 CO₂还原等前沿领域拓展。

煤基多孔碳的应用贯穿 “环境治理 - 能源革命 - 制造” 链条，其技术创新不仅推动煤炭资源的高效利用，也为碳中和目标下的新型碳材料产业提供了重要方向。