含嘌呤结构纳米纤维素基离子传导材料的制备及机理的应用基础研究

Due to the increasing demands for new technologies for portable, efficient and environmentally friendly energy conversion and storage, flexible supercapacitors and fuel cells attract more and more attention. In this project, a novel cellulose nano fiber (CNF) based ion-conducting material surface grafting adenine, diamino adenine and adenosine monophosphate, was proposed and constructed by papermaking method. The mechanism of the influence of CNF micro-enviroment on the ion-conducting properties were revealed and the electrochemical performance of this CNF-based material were investigated. The material retains the advantages of good flexibility, high specific surface area and porosity from cellulose nano fiber, However, due to the existence of the conjugated nitrogen heterocycle and the large diameter oxyanion, Coordination and dissociation between the conjugated nitrogen, acid groups and ions are easy to be achieved. It plays an important role in constructing the ion or promoting ion conduction path in the anhydrous state in the materials, and the materials can be used as a flexible super capacitor electrode substrate and a proton exchange membrane for fuel cells. The proposed project conforms to the current needs of new energy technologies and helps to reduce the pollution generated by e-waste. It provides more research ideas for the functionalization and industrial application of cellulose nano fiber and has good social and environmental benefits.

随着人们对便携、高效和环境友好的能源转化与储存新技术需求的增加，柔性超级电容器和燃料电池逐渐引起人们的广泛关注。本项目研究以纳米纤维素为主要原料，腺嘌呤、二氨基腺嘌呤和一磷酸腺苷等为改性材料，制备含嘌呤结构的纳米纤维素，并以此尝试采用造纸法等制备离子传导基材；该材料不仅具备纳米纤维素柔韧性好、高比表面优点，且由于嘌呤这种氮杂环共轭结构及大直径的含氧阴离子存在，使得电解质离子或质子在含氮杂环支链和酸根离子之间配位和解离易于实现，起到构建无水状态下离子传导路径和促进离子传导的作用，可作为柔性超级电容器构建基材和燃料电池的质子交换膜；从理论层面揭示纳米纤维素接枝嘌呤结构后的离子传导通道构建和离子传导路径的形成机理，并探讨其作为电极材料、质子交换膜等材料的电化学性能的影响规律。该项目顺应新能源技术的需求，有助于减少电子垃圾污染，为纳米纤维素功能化与造纸工业产品升级提供新思路，具有良好社会和环境效益

随着化石燃料的消耗、气候问题以及人们对能源需求的多样化, 发展高效和环境友好的储能技术已经成为新能源及新材料等前沿领域发展的热点，也成为我国经济可持续发展的迫切需求和向绿色低碳转型过程中的必然选择。针对高离子传导能力，高加工性能和环境友好性的新型离子传导材料研发过程中的瓶颈和难点问题，本项目以可降解、易修饰的生物质材料纳米纤维素为主要原料，通过化学修饰对纳米纤维素晶须接枝了多种嘌呤结构的化合物，制备了新型、环境友好的含嘌呤结构纳米纤维素基离（质）子传导材料；阐明了含嘌呤结构分子、磷酸根及磺酸根等阴离子结构对材料离（质）子传导结构的构建的影响机理及其传导机制；从理论层面揭示了纳米纤维素接枝嘌呤结构后的离子传导通道构建和离子传导路径的形成机理，并探讨其作为电极材料、质子交换膜等材料的电化学性能的影响规律。在此基础上，本项目还进一步研究了纳米纤维素纤维与壳聚糖纳米纤维复合、以及纳米纤维素纤维接枝与胞苷一磷酸、牛磺酸及半胱氨酸等含有大阴离子基团的生物质材料用于制备离（质）子传导材料的制备；并研究了上述新型离（质）子传导材料的性能并对其作为质子交换膜和锂电池隔膜的电池性能。本研究还进一步探讨了所制备的纳米纤维及膜材料在生物医用材料中的应用（离子凝胶、药物传导和递送等）及生物法接枝合成路线，进一步拓展了所制备材料的应用范围和并探寻了更为环境友好的制备方法；本项目已经按照计划书约定完成了相应的研究内容，达到了预期目标：所作研究工作不仅为环境友好的新能源材料的制备提供了新理论和新方法，顺应新能源、新材料技术的需求，也为纳米纤维素功能化与造纸工业产品升级提供了新思路，具有良好社会和环境效益。