晶态碳基能量转换与储存材料的合成策略及其电极过程本质

本项目拟发展晶态碳基材料的合成新策略并研究其能量转换与储存特性及电极过程本质。应用廉价易得碳源，基于基团相互作用原理，采用原位自生模板路线合成石墨烯及多孔碳材料。在此基础上发展"原位同步路线"构筑碳化物/碳和氧化物/碳复合体材料，使组分间紧密接触以增强界面耦合作用。采用液相策略使Pt、Pd基贵金属及合金团簇在碳基复合体表面生长，实现贵金属尺寸、合金化、分散性控制及在碳化物表面定域生长。研究碳基复合体作为超级电容器电极的储能特性，并探索载贵金属的碳基复合体对醇类氧化、氧还原反应的电催化性能。理论计算结合实验表征，探讨材料结构及界面耦合作用对其性能的影响规律。结合系列原位、实时检测手段（现场电化学原子力显微镜及X射线吸收精细结构谱）及理论模拟方法，阐明能量转化过程中甲醇、氧在催化剂表面吸附-解离-脱附过程的热、动力学等电极过程，及储能过程电解液分子及电子在电极内部的传质、扩散等电极过程的本质。

本项目在碳基材料的可控制备及其在能量转换和存储方面的应用方面开展研究工作。经过四年研究工作的开展，我们顺利的完成了项目拟定的研究内容和目标。在碳基材料的可控制备方面，我们发展了“自下而上”和“自上而下”两种晶态纳米碳的合成方法，以廉价生物质碳源可控制备了纳米片、纳米球及量子点等纳米碳，并基于密堆积铁粒子的限域、择型作用发展了配位组装方法合成石墨烯材料。并以石墨为原料通过“微氧化-插层-剥离”技术制备石墨烯及其复合材料。利用原位自生模板法制备的石墨烯为载体，实现小尺寸、高分散的贵金属纳米粒子的高效、高稳定负载。使小尺寸过渡金属(W、Mo、V)碳(氮)化物与石墨烯有效复合，并探索了其与贵金属的协同催化作用，在显著降低贵金属用量的同时提高了抗CO毒化能力和燃料电池的综合性能。开发了性能优异的低Pt负载量、非贵金属乃至非金属氧还原催化剂。在电化学储能材料结构设计方面，调控孔结构的同时控制晶化度，构筑多孔石墨化碳材料，同时提高材料的传质和传荷能力从而提高储能性能，并通过对碳材料进行非金属（B、N等）掺杂及与氧化物复合，辅以赝电容，进一步提高了储能性能。结合理论计算和同步辐射实验方法探讨了材料的形成和储能机制。在本项目支持下，共发表SC论文150余篇，论文成果被SCI收录国际期刊引用2000多次。有9篇文章入选ESI数据库高被引用论文。项目执行期间，共23项发明专利被授权。培养博士研究生9名，硕士研究生37名，5名青年教师晋升为教授。获得国家自然科学奖二等奖1项（主要完成人），省自然科学奖一等奖一项 （主持人）。