新疆理化所在植物基功能型碳材料設(shè)計(jì)制備領(lǐng)域取得進(jìn)展
功能型碳材料是以碳作為基本骨架的新型材料。這類(lèi)材料具有發(fā)達(dá)的孔隙、高的比表面積、優(yōu)良的耐熱性能，孔徑大小可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，使其在催化、吸附、傳感、分離以及儲(chǔ)能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。采用各種可再生資源為原料來(lái)制備新型碳材料，成為近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所資源化學(xué)研究室研究員張亞剛帶領(lǐng)的精細(xì)化工工程中心團(tuán)隊(duì)近年來(lái)聚焦新疆棉花、油脂等優(yōu)勢(shì)資源轉(zhuǎn)化，面向氯堿化工，石油化工、煤化工節(jié)能減排、節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的實(shí)際需求，開(kāi)展了一系列包括新型功能型碳材料、植物基環(huán)境友好生態(tài)潤(rùn)滑材料、高分子助劑和油田助劑在內(nèi)的化工新材料設(shè)計(jì)研究并取得進(jìn)展。
在前期的研究工作中，張亞剛團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種以棉花短絨為原料，環(huán)保、低成本制備碳纖維的新工藝。采用環(huán)保的纖維素氨基甲酸酯工藝，和濕法紡絲，制備出基于可再生資源的碳纖維材料。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際刊物《可持續(xù)化學(xué)與工程》（ACS Sustainable Chemistry & Engineering，2016, 4(10): 5585-5593）上。
同時(shí)以棉花短絨為原料，經(jīng)纖維素氨基甲酸酯、溶液配制，碳化、活化等制備出了氮摻雜多孔碳材料，該材料孔隙結(jié)構(gòu)可調(diào)，具有超高的比表面積（3700m2/g）的氮摻雜多孔碳材料，氮含量達(dá)到7.7%。以該材料制備的超級(jí)電容器，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性。所制備的氮摻雜多孔碳還具有優(yōu)異的染料吸附性能，對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附容量達(dá)到1551mg/g。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際刊物《材料化學(xué)雜志A》 （Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 12958-12968）上。
在隨后的研究工作中，又以棉花為原料，KOH為活化劑，磷酸氫二銨為活化劑，經(jīng)碳化與氧化后，制備出性能優(yōu)異的多孔碳材料，將其用作超級(jí)電容器的電極材料，相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際刊物《皇家化學(xué)會(huì)進(jìn)展》（RSC Advances, 2018, 8, 3869 -3877）上。
我國(guó)是世界上主要產(chǎn)棉大國(guó)，而新疆是我國(guó)產(chǎn)棉第一大省，棉花是新疆最具優(yōu)勢(shì)的特色資源之一，棉籽產(chǎn)量達(dá)450-500萬(wàn)噸，棉籽殼資源來(lái)源廣，資源量非常豐富，因此，棉籽殼的資源化利用，意義重大。近日，張亞剛團(tuán)隊(duì)以?xún)r(jià)格低廉、來(lái)源廣泛的可再生生物質(zhì)資源棉籽殼為原料，制備出了氮摻雜多孔碳材料。相對(duì)于傳統(tǒng)碳材料的制備方法，該方法在原料上成本低，同時(shí)，原料成分穩(wěn)定均一，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的成分分離，原料也無(wú)需干燥，可直接進(jìn)行碳化，工藝過(guò)程操作簡(jiǎn)單、安全，碳化活化一步完成，且無(wú)需添加模板進(jìn)行后處理等步驟，還可以任意成型，制備氮摻雜多孔碳材料。而且，所制備的氮摻雜多孔碳材料比表面積高，比表面積可達(dá)2500 m2/g，氮含量可達(dá)7%。而且以該方法制備的氮摻雜多孔碳材料制備的電極材料，在超級(jí)電容器中顯示出優(yōu)異的性能，比電容可達(dá)320-340F/g（電流密度為0.5 A/g），同時(shí)也可作為新型吸附和分離用功能材料。相關(guān)研究成果近日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際刊物《皇家化學(xué)會(huì)進(jìn)展》（RSC Advances. 2018, 8, 42405–42414）上。
相關(guān)科研成果已經(jīng)申請(qǐng)多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明ZL并獲得授權(quán)，有關(guān)基于植物基可再生資源的碳纖維和氮摻雜多孔碳材料的研究工作發(fā)表后，得到國(guó)內(nèi)外媒體的廣泛關(guān)注和報(bào)道。研究工作得到國(guó)家“千人計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。
論文信息：
1. From Waste Cotton Linter: A Renewable Environment-Friendly Biomass Based Carbon Fibers Preparation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2016，4(10), 5585-5593.
2. Biomass based nitrogen-doped structure-tunable versatile porous carbon material [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 12958-12968.
3. Facile synthesis of bio-based nitrogen and oxygen doped porous carbon derived from cotton for supercapacitor [J]. RSC Advances, 2018, 8, 3869 -3877.
4. Bioresource Derived Porous Carbon from Cottonseed Hull for Removal of Triclosan and Electrochemical Application[J]. RSC Advances, 2018, 8, 42405–42414.
基于可再生生物質(zhì)資源棉籽殼的氮摻雜多孔碳材料制備及其應(yīng)用
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