基于发酵起泡技术的生物质基炭泡沫及其孔泡结构调控机制

The project is proposed in view of the challenging problems focusing on carbon foam preparation and theoretical research. By taking advantage of the three-dimensional honeycomb porous structure resulted from the in situ fermentation blowing capability of active yeast, monolithic carbon foam derived from fermentable starch and spent mushroom substrate (SMS) with controlled cellular structure and properties is fabricated by fermentation foaming method. By making good use of SMS as a desirable precursor, owing to its inherent chemical composition and porous morphology, along with the rational regulation on the composition of raw materials, fermentation process, pyrolysis conditions, and modification, the optimization of pore structure and performance as well as functional integration of the resultant carbon foam is expected to be achieved. By conducting investigation on the fermentation foaming behavior, law of cellular structure evolution, in situ functionalization and structure-function relationship, the project will gain a deep insight into the preparation mechanism as well as the relationship between the hierarchical pore structure and morphology of carbon foam and its resultant properties. The project aims to offer novel ideas and theoretical guidance for controllable preparation of environment-friendly and multifunctional biomass-based carbon foam.

项目围绕炭泡沫制备技术与理论研究领域亟待解决的问题进行选题。基于活性酵母发酵产气膨胀形成三维蜂窝状多孔组织结构的特性，以富含木质纤维的食用菌菌糠和可发性淀粉为原料，利用绿色温和的发酵起泡技术，实现大尺寸生物质基整体炭泡沫的简易、低成本和可控制备。课题充分发挥菌糠在化学组成及其微观结构形态上作为炭泡沫制备优良前体的先天优势，通过调节发酵起泡行为和原位功能化改性，协同实现炭泡沫结构、性能的优化调控与功能的集成。课题对生物质基炭泡沫的发酵起泡行为、孔泡结构演变规律、原位功能化改性和构效关系进行研究，揭示微生物发酵起泡法制备结构与性能可控的生物质基炭泡沫的机理，为绿色炭泡沫材料的可控制备与功能化设计提供新思路与理论基础。

炭泡沫是一种性能优异、用途广泛的新型炭材料。针对炭泡沫现有制备方法存在工艺过程繁琐、对设备要求较高、结构与性能可控性欠佳等瓶颈问题，项目以可再生、价廉易得的生物质为主要原料，采用简易、绿色的工艺路线，通过多层级孔结构调控和原位功能化改性，协同实现大尺寸生物质基炭泡沫结构、性能的优化调控与功能的集成。首先，利用绿色温和的发酵起泡技术，以可发性小麦面粉和食用菌菌糠为碳源，探究了菌糠、酵母、水的用量以及发酵时间对炭泡沫材料孔隙率和抗压缩性能的影响规律。根据响应面分析法创建发酵法制备泡沫炭基体材料的数学预测模型，获得优化的工艺条件，实现了大尺寸、轻质生物质基泡沫炭的简易、低成本制备，为进一步制备功能化改性的大比表面积炭材料奠定基础。进一步地，课题研究了模板牺牲剂、二次活化、杂原子掺杂以及原位功能化改性等对炭泡沫微观织构的影响及其调控机制。最后，对功能型生物质基多孔炭的简易高效制备、多级孔结构调控及其应用性能展开系统研究，并对构效关系加以阐释。其中，课题研究首创微生物发酵起泡-微胶囊法造孔改性技术，同步有效发挥微生物发泡和化学活化/掺杂改性剂的协同造孔及改性作用，一步制备获得大比表面积的功能型炭泡沫，该技术已申请国家发明专利。制得的炭泡沫块体材料具有发达的多级孔结构、大比表面积、丰富的多元杂原子共掺杂和优良的抗压强度，对多种醇类化合物的选择性氧化反应均表现出优异的催化转化率和选择性，而且具有优良的回收循环使用性能。综上，项目基于发酵产气等绿色高效的发泡造孔技术，通过添加结构或功能改性剂等手段，制备获得综合性能优良的新型生物质基炭泡沫及其复合材料，为绿色炭泡沫材料的简易、低成本可控制备与功能化设计提供了新思路与理论基础。