木素基核壳结构碳纳米纤维的制备及应用基础研究

Core-shell carbon materials have been paid attention due to their special structures and properties. Based on the lignin-based biomass (walnut shell) as raw material, the synthesis and regulation of the shell precursor, the design and regulation of the core precursor, the preparation, structure and properties of the derived core-shell carbon nanofibers, and their application in lithium ion battery were investigated. The preparation technologies and structure-property control mechanism of lignin-based core-shell carbon nanofibers, including shell precursor, core precursor, shell carbon nanofiber, core metal oxide, would be achieved. Its electrochemical properties in lithium ion battery could be obtained, too. It would provide the theoretical foundation and scientific basis and technical data for the development and application of lignin-based carbon nanofibers.

核壳结构碳材料因具有特殊的结构和性能而受到关注。本项目以木素基生物质（核桃壳）为原料，通过壳层前驱体的合成与调控、核层前驱体的设计与调控、核壳结构碳纳米纤维的制备与结构性能调控及其在锂离子电池材料中的应用研究，获得包括壳层前驱体、核层前驱体、壳层碳纳米纤维、核层金属氧化物等在内的木素基核壳结构碳纳米纤维的制备技术与结构性能调控机制，获得其在锂离子电池应用中的电化学性能，为木素基新型碳纳米纤维材料的开发及应用奠定理论基础和提供科学依据、技术数据。

碳纳米纤维作为一种新型多孔纤维状碳材料，因其独特的孔隙结构和形态而具有较一般碳纤维更大的比表面积、更高的孔容等特性，而开始应用于电池材料中，尤其是在柔性电子中展示出了优异的应用前景。木素基（壳类）生物质具有来源广泛、残炭率高、碳产品品质高等特点，由其来制备高性能的新型碳材料已成为生物质产业重要追求之一，而如何将固态颗粒状/粉状的木素基生物质转化为柔性的碳纳米纤维（即高度交联体型结构的木素等转化为线型可纺的树脂基前驱体及其纳米化纤维），并经碳化后仍保持柔性和核壳结构，在锂离子电池、超级电容器等电池中展示出优异的电化学性能，一直是一个难以跨越的科学与技术难题。因此，本项目以林业废弃物、富含木质素的木素基生物质（核桃壳）为原料，通过液化-树脂化-静电纺丝-负载-炭化等一系列转化和结构修饰等方法，着重研究木素基酚醛树脂静电纺丝法制备纳米纤维及其炭化、改性技术制备具有核壳结构的碳纳米纤维及其电化学电池应用，从而为木素基新型碳纳米纤维材料的开发及应用奠定理论基础和提供科学依据、技术数据。通过研究，取得了以下的重要研究成果：（1）创新了可纺性木素基碳纳米纤维前驱体的合成方法；（2）获得了基于碳纳米纤维（膜）及其N掺杂改性的锂离子电池高效负极材料；（3）获得了基于碳纳米纤维（膜）及其表面修饰的锂金属复合负极材料、抑制锂消耗机制；（4）获得了具有核壳结构的钴酸锰或铁酸钴碳纳米纤维复合电极及其电化学性能；（5）创制了U型核壳结构U-HCNFs@MnCo2O4复合电极材料及其电化学性能。.本项目共计发表论文15篇，全部为SCI和EI论文，授权发明专利1项。相关成果技术作价入股2000万元获安徽省宿州市宿马现代产业园区基金支持成立了技术公司，实现科技成果的转化。现已培养博士生3人、硕士生5人，在培博士生2人、硕士生4人，获聘厦门大学南强重点岗位教授1人，新增1个省部级科技创新平台，1个一级交叉学科博士点、1个本科专业。