新型碳材料微纳结构调控和性能研究Word下载.docx

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华南农业大学，暨南大学

完成人员：

刘应亮，郑明涛，肖勇，胡超凡,张静娴，雷炳富,阳运华，徐常威,容建华，张浩然,董汉武，胡航，梁业如，庄健乐,江振友

研究起止日期：

2006-01-01至2017-05-31

主要应用行业：

科学研究和技术服务业

社会经济目标：

社会发展和社会服务

评价单位：

华南农业大学学术委员会

评价日期：

2019-04-11

成果简介：

项目属于无机非金属材料（碳材料）领域。

自富勒烯、碳纳米管、石墨烯等被发现和合成以来，各种具有新颖形貌和优异性能的新型碳材料的制备及其性能研究成为当今材料和化学学科的研究热点。

组成结构与性能调控是碳材料科学的关键问题，阐明其形成机理和调控机制具有重要理论和实践意义。

发展简单高效的绿色制备技术，减少对不可再生化石碳资源的依赖，实现具有优异性能和广阔应用前景的微纳米结构碳材料的可控构筑，是材料科学与绿色碳科学领域的难点与挑战。

在国家自然科学基金广东联合基金、面上项目及青年科学基金等支持下，项目围绕新型微纳米结构碳材料绿色可控制备和可再生生物质碳资源高效转化利用的关键问题，以新型碳材料的组成结构设计、绿色可控构筑及其与性能的相互关系为主线，以在能量存储与转换、吸附、生物医学等方面的一系列基础或应用基础科学问题为目标，努力为绿色碳科学发展和微纳米结构碳材料在能量存储与转换、生物医学及吸附等方面的应用提供科学依据。

项目的主要科学发现点有：

（1）微纳米结构碳材料的组成结构设计与可控构筑策略。

围绕微纳米结构碳材料的组成结构设计、绿色合成方法及形成机制进行研究，发展了水热、乙醇溶剂热等绿色合成方法，以葡萄糖、蔗糖、淀粉、壳聚糖以及农林废弃生物质等再生碳资源，在较低温度条件下实现了包括石墨烯、碳微球、空心结构碳材料等具有新颖形貌结构和优良性能的微纳米结构碳材料及复合材料的可控制备；

阐明了新型碳材料微纳结构的调控机制，揭示了碳材料结构与性能间的构效关系，为新型碳材料组成结构与性能调控提供了理论和技术基础；

为微纳米结构碳材料的绿色可控构筑和功能研究提供了范例。

（2）碳量子点新颖结构设计和性能研究。

率先开展了生物质制备碳量子点材料的研究，从壳聚糖、废弃的污泥中获得了具有良好发光性能的碳量子点材料，可望为污泥等废弃生物质的高效利用提供新的方向和机会；

首次利用水溶性高分子和含杂原子有机物设计获得了具有长链交联（核壳）结构的碳量子点材料，发现这类碳量子点材料具有优良的固态荧光和磷光性能，并实现了发光波长和颜色的调控；

第一次观察到碳量子点的双发射形貌，成功构建了由单一碳量子点蓝绿双发射形成的白光LED；

为低维碳纳米材料可控构筑和功能应用提供了科学依据。

（3）球形碳材料的绿色合成、形成机理及应用。

开发了高温水热碳化技术，以葡萄糖、蔗糖、淀粉等为原料，实现了单分散球形碳材料的绿色可控制备；

发展了乙醇溶剂热技术，首次发现了乙醇等醇类化合物对球形或类球形碳材料的结构调控机制，提出了球形（类球形）微纳米结构碳材料新的形成机理和调控机制；

探索了球形结构碳材料在催化剂载体及模板合成等方面的应用；

创新地采用原位模板技术和利用化学还原手段可控构筑空心结构碳微球、氧化物/碳、碳/金属、碳/金属氢化物等碳基复合材料以及其它形貌空心结构碳材料，阐明了这类材料的形成机理和调控机制，研究了这类材料的电化学和吸附性能、影响因素及其变化规律；

为水、乙醇等绿色溶剂开发、碳材料组成结构调控和深入了解新型微纳结构碳材料的功能与应用提供了指导。

（4）储能用层次孔碳材料的创新设计与先进合成策略。

主要以由二氧化碳经光合作用得到的生物质及其废弃物为原料，减少对不可再生的化石碳资源的依赖，从绿色碳科学角度出发，将可再生生物质碳资源高效转化为微纳米结构碳材料并应用于电化学储能和吸附领域。

采用简单绿色合成方法实现了具有超高比表面积和优异电化学性能的生物质基层次孔碳材料的创新设计与构筑；

首先提出了基于污泥为原料的飞硅处理技术，实现了高灰分含量污泥的能源化利用；

首次发现了污泥对生物质基层次孔碳材料的多功能模板作用；

阐明了储能用层次孔碳材料的组成、结构与性能之间的影响与相互作用；

丰富了孔碳材料的设计制备理论，为层次孔碳材料的可控构筑提供了理论基础和技术，为可再生生物质碳资源的高效能源化与资源化利用提供了新的思路和机会，为绿色碳材料科学的发展与应用提供了理论与技术支撑。

项目在微纳米结构碳材料的创新设计、绿色可控制备、性能优化及其在能量存储与转换、吸附、生物医学领域的应用等方面取得了创新性成果，在Adv.Mater.>

J.Mater.Chem.A、ACSAppl.Mater.Interfaces、Nanoscale、Carbon>

J.PowerSources等SCI期刊发表论文42篇，获授权国家发明专利4件。

所发表的论文均受到了国际国内同行的关注，论文SCI总引用次数为2225次。

其中，10篇代表论文SCI总引用1648次，被Chem.Rev.、Chem.Soc.Rev.、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.、NanoToday等刊物SCI他引1559次；

包括4篇ESI高被引论文，单篇SCI他引均超过100次，其中单篇论文最高SCI他引496次。