木质纳米纤维多维网络体系构筑及其绿色高效储能应用基础研究

Utilization of wood cellulose nanofiber in a green and high-efficient way is the new strategic direction in developing value added utilizations of wood fiber. The self-assembled dimensional network structure of cellulose nanofiber is the basis of its high-efficiency and energy storage material usage. However, its micro-nano structure, arrangement of orientation of wood cellulose nanofibers, and biomimetic and hierarchical self-assembly are key elements to achieve controlled dimensional network. This project propose a new strategy of using asymmetric flow field flow - static light scattering instrument separation from multiple perspectives and surface functional groups activation selectively to achieve micro-nano structure regulation and directional modification. We propose a new method of biological self-assembled process to build a functional network system with multidimensional level, excellent interfacial compatibility and strong flexibility, and construct a relation model of microstructure, surface modification and self-assembled materials fundamental characteristics of wood cellulose nanofiber. We will demonstrate the effect law of structure, interface and other factors of wood cellulose nanofiber-energy storage material on its electrochemical property illuminating a propagation mechanism of its ions and electrons, to achieve the basic application theory of wood cellulose nanofiber base green-efficient energy storage material and devices. This project has important significance for broadening application area of wood cellulose nanofiber, improving the efficient use of wood resources, accelerating the forest industry transformation and upgrading of the industrial technology and extending connotative meaning of conventional subjects of Wood Science and Technology and Chemical Processing Engineering of Forest Products.

木质纳米纤维高附加值利用是木质纤维精深加工的新型战略方向，其多维网络体系是实现绿色高效储能的基础，而定向修饰、排列取向、生物层次自组装是构筑木质纳米纤维多维网络体系的关键。本项目拟通过优化非对称流场流-静态多角度光散射技术参数，借助木质纳米纤维表面基团的选择性活化，实现其微纳结构调控和定向修饰；基于生物层次自组装理论来构筑具有多维层次、界面相容、柔韧性强的功能化网络体系，建立木质纳米纤维的微观结构、表面功能化和其自组装方式的关系模型；探讨木质纳米纤维储能材料的结构、界面等对其电化学性能的影响规律，阐明木质纳米纤维储能材料的离子与电子传递机制，获得木质纳米纤维基绿色高效储能材料与器件的应用基础理论。本项目对于拓宽木质纳米纤维应用领域、提高木质资源高效利用、加快林产工业产业技术的转型与升级，拓展传统木材科学与技术、林产化学加工工程学科的内涵与外延具有重要的意义。

木质纳米纤维高附加值利用是木质纤维精深加工的新型战略方向，其多维网络体系是实现绿色高效储能的基础，而定向修饰、排列取向、生物层次自组装是构筑木质纳米纤维多维网络体系的关键。本项目通过调控预处理方式、高压均质次数等技术手段实现了木质纳米纤维在微观尺度、表面基团上的可控制备；通过原位接枝等方法实现了木质纳米纤维表面功能基团的定向修饰；研究了纳米纤维流变特性及水分吸附动力学特性，建立了水分吸附动力学模型；构建了木质纳米纤维多维网络自组装体系，深入探讨了木质纳米纤维尺寸及活性官能团对其自组装的影响；将木质纳米纤维与碳材料、金属氧化物等活性物质复合构建了具有不同微观结构与物化性质的复合材料，分析了纳米纤维多维网络复合材料的集成机制；在此基础上，制备并开发了一系列储能材料及储能器件，探索并阐明了木质纳米纤维的多维立体离子通道和电子导电网络体系与储能材料的快速充放电、循环寿命、容量等性能增效的协同机制，为木质纳米纤维基绿色高效储能材料与器件的技术革新提供应用基础理论。.在项目的资助下，已出版专著2部，在Advanced Materials（IF=27.398）、Advanced Energy Materials（IF=25.245）等学术期刊上发表第一标注论文35篇，其中SCI收录27篇。授权美国发明专利1件，授权国家发明专利10件。获得国家科学技术进步二等奖、全国创新争先奖、湖南省科技创新团队奖、湖南省科学技术进步一等奖等国家、省部级奖励及荣誉8项。培养博士后3人，博士研究生7人，硕士研究生14人。项目成员晋升教授4人，晋升副教授2人。先后举办了第319次中国科协青年科学家论坛、生物质纳米材料及绿色能源国际研讨会。协办第六届中国林业学术大会木材科学与技术分会等会议2次。项目成员作特邀报告8次，邀请海外专家学者来华交流8人次，派遣项目成员赴英国、加拿大、日本等国家访问交流3人次。