微藻等生物质为原料新型含氮碳纳米材料的制备及性能研究

Owing to their unique advantages in the fields of energy, environment, and biomedicine application, the synthesis and property of nitrogen-doped carbon (NDC) nanomaterials is the frontier and hot topic of carbon material research. This project aims to design and synthesis novel NDC nanomaterials with significant application value by hydrothermal carbonization of nitrogen-enriched renewable biomass. In this project, we will investigate the transformation process and mechanism of biomass in the hydrothermal reaction system; study the effect of various reaction conditions and synthesis parameters on the structure, morphology, nitrogen content and state, surface structure, and property of NDC; research the formation process and mechanism of NDC; and investigate the correlation of structure and property. The research and completeness of this project will provide new technology and method for the preparation of new carbon nanomaterials and the transformation and utilization of biomass resource; and provide important foundation and basis for developing the application of new carbon nanomaterials in the fields of energy, environment, and biomedicine.

由于含氮碳纳米材料在能源和环境以及生物医学等领域的独特优势，这类材料的制备与性能研究成为当前碳材料研究领域的前沿与热点。本项目旨在采用水热碳化技术，以富含氮元素的可再生生物质为原料，制备具有重要应用价值的新型含氮碳纳米材料。研究生物质在水热反应体系中的转化过程和机理；研究反应条件与合成工艺对产物结构、形貌、氮元素含量和状态、表面结构以及性能的影响；研究新型含氮碳纳米材料的形成过程和机理；研究含氮碳纳米材料的构效关系。本项目的研究和完成，将为新型碳纳米材料的制备以及生物质资源的转化和利用提供新的技术和方法，为发展新型碳纳米材料在能源、环境和生物医学等领域的应用提供重要基础和依据。

碳材料具有形态和结构多样性、化学稳定性高、成本低、循环稳定性好和导电性良好等独特优势，在超级电容器等能量存储与转化器件、气体存储等方面具有广阔的应用前景。碳材料的绿色可控制备是实现其规模化应用的关键。.本项目首先应用藻类生物质（如螺旋藻、紫菜）、碳水化合物、壳聚糖、金属有机化合物和废弃生物质等原料，采用水热溶剂热以及高温碳化活化等合成方法制备具有新颖结构和形貌的碳材料，主要包括多孔碳材料、碳微球以及碳空心结构，并研究了它们的形成机理，以及不同组成、结构和形貌碳材料的电化学性能和硫掺杂碳材料的储氢性能。. 在此基础上，开辟了水热剥离方法，制备了高质量的石墨烯纳米片，并研究了其形成机理。采用改性Hummers法，以天然石墨为原料、氨水为还原剂采用水热还原方法，制备了具有三维网络互联结构的氮掺杂石墨烯。研究了三维互联结构氮掺杂石墨烯的电化学性能，探索了氮元素组成和状态对材料电化学性能的影响及其构效关系。. 本项目还以农林废弃生物质如锯木屑、污泥、甘蔗渣等为原料设计制备了性能优异的三维生物质基碳材料；制备了具有优异电化学性能的过渡金属氧化物及氧化物@碳复合材料，并系统研究了其电化学性能，对其在超级电容器领域中的应用前景进行了系统评价。.本项目主要的创新点体现在：发展了水热法制备氮掺杂碳材料（多孔碳、石墨烯）的方法；发展了利用价廉易得的醇类化合物有效调控碳材料结构形貌、尺寸大小的新的方法和途径，这一方法也可以为过渡金属氧化物多级微纳结构、金属氧化物@C等核壳结构及相应的空心结构的构建以及金属氧化物与金属的形貌的调控提供新的机会；发展了利用水热方法处理废弃生物质获取优良电化学性能的碳材料的新的方向；设计合成了具有优良储氢性能的硫掺杂碳材料。 . 本项目研究成果为高性能超级电容器电极材料、高容量储氢材料和复合储能材料进一步的理论与应用研究奠定了基础。