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新结构先进功能碳材料研究工作取得系列重要进展

时间:2015年05月18日 17:55来源: 作者: 点击:

 

功能碳材料具有独特的物理和化学性质,在能源、催化和环境等领域有广阔的应用前景。功能碳材料的选控合成/制备和应用途经的拓展一直是国内外高度关注的一个学科前沿和热点。精细化工国家重点实验室邱介山教授领导的能源材料化工学术团队面向能源材料化工的学科发展前沿及国家在能源材料化工技术领域的重大需求,多年来致力于煤和生物质基微/纳米功能碳材料的选控制备及应用研究,近期在石墨烯可控组装、碳基能量转换与存储用材料调控、煤基功能碳量子点等研究方面取得了一系列新的突破。

在理想状态下,石墨烯是一种新型的单原子厚度的二维晶体碳质纳米材料,如何在纳米尺度上精细调控前驱体基本结构单元的化学性质,进而基于自组装策略,实现孔隙结构高度发达且机械性能优异的高功能石墨烯及其超轻高弹性宏观体的可控构筑,是一个富有挑战性的难题。团队在前期研究工作的基础上 (Adv. Mater. 2013, 25, 2219, 作为Research highlightNature 2013, 494, 404报道,入选2013年度“中国百篇最具影响国际学术论文”),将化学剪裁与杂原子掺杂的策略有机融合,实现了氮原子掺杂的一维碳纳米管与二维石墨烯纳米带状材料有机复合材料的选控制备,这种新材料作为染料敏化太阳能电池的对电极,显示出优异的性能,相关工作发表在Adv. Energy Mater. (2015, DOI:10.1002/aenm.201500180期刊内封面);发展了柱撑、化学交联等新技术和新方法,以氧化石墨烯为基本结构单元,实现了石墨烯超快的组装,成果发表在Adv. Func. Mater. (2014, 24, 4915-4921,期刊的Frontispiece2015, 25, 2109-2116期刊内封面)

Adv. Energy Mater. (2015, DOI:10.1002/aenm.201500180,期刊内封面)

Adv. Func. Mater. (2015, 25, 2109-2116, 期刊内封面)

碳基材料在能量转换与存储领域有不可替代的重要作用,其可控制备和组装是需要解决的核心和关键问题之一。团队首先针对锂二次电池材料存在的瓶颈性问题,基于表/界面调控策略,选控制备了高功能碳基复合结构纳米材料,实现了锂硫电池固态放电产物及可溶性多硫化物的原位高效稳定,创制出具有优异循环寿命和倍率性能的石墨烯/硫复合电极材料。Adv. Mater 2013, 25, 3462Nature Commun.2014, 5, 5002之后,最新研究成果发表在Nano Energy (2015, 12, 578-587);研究并发展了空间限域、溶胶/凝胶、诱导晶核生长等新的技术策略,成功实现了超级电容器用新结构高功能多种复合结构纳米碳电极材料的选控构筑,相关成果发表在Adv. Energy Mater. (2014, 4, DOI: 10.1002/aenm.201470099, 期刊前封面2015, DOI: 10.1002/aenm.201570035, 刊物的Frontispiece)。这种合成策略可以拓展到多种类型的其它碳源,是一种制备高性能二维多孔片状纳米碳材料的普适性新方法。这一成果为拓展和深化高性能炭基超级电容器电极材料的设计与构筑,开辟了新的技术途经,也为高性能二维纳米炭材料的设计合成提供了可资借鉴的新思路。

Adv. Energy Mater. (2014, 4, DOI: 10.1002/aenm.201470099, 期刊前封面)

碳量子点是近年来发展起来的碳家族的一种明星级纳米碳材料。如何实现其价廉、可控及规模化的制备是国内外高度关注的一个难题。基于前期在煤基纳/微米碳材料研究的雄厚工作基础,该团队提出以煤为前驱体,采用化学氧化、电化学等分子剪裁技术手段,成功实现了煤基碳量子点的可控合成;利用零维碳量子点富活性位的特点,与二维石墨烯等材料有机复合,构筑了具有高活性位、高导电性、廉价的无金属全碳电催化一体材料,揭示了这类新催化材料的本征构效关系。相关研究结果发表在Small (2014, 10, 4926-4933)Chem. Commun. (2015, 51, 3419-3422)Carbon (2015, 91, 291-297).   

 

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