分级孔多维碳/纳米金属的制备及环保特性研究

本项目基于生物质的分级多孔结构特征，将生物质的分级结构、内部组分与多孔表面纳米改性技术相结合，研究其复合制备机理及组织与性能之间的内部关系。通过以选取的生物质为模板，利用模板原有的或通过浸渍引入的磁性金属先驱体在非惰性气氛热处理过程中原位自生出磁性纳米金属颗粒，并以其为催化源，在气相沉积过程中进一步在分级多孔结构表面诱发碳纳米管/纤维，制备分级多孔、多维碳/纳米金属复合材料，并研究其环保特性。通过本项目的研究，以期建立基于生物质模板的分级多孔、多维碳及复合材料的思路和体系，揭示以自然分级多孔结构为模板，原位自生磁性金属纳米颗粒和碳纳米纤维结构的设计思想和控制措施，研究其复合机理以及结构功能遗传性和材料改性之间的关系。揭示生物质的分级多孔、多维结构对吸附特性的影响机制，为新型环保用分级多孔结构的设计和制备提供新思路。

我国是农业大国，每年产生大量的农作物废弃物和其他植物类生物质，这些生物质目前大多被作为废弃物处理，对环境、社会产生巨大的压力。这些植物生物质主要成分均为碳、氢、氧等元素，并且本身具有精细的分级结构，从而辅助实现植物所需的一些功能特性。为了变废为宝，缓解环境压力促进社会可持续发展，本课题以几种典型的植物生物质为原材料，将生物质的分级结构、内部组分与多孔碳表面纳米改性技术相结合，研究制备了高表面积多孔石墨化碳、多孔碳/金属、多孔CNTs/碳/金属等材料，从而建立了基于植物生物质的分级多孔碳及复合材料的制备思路和体系。课题首次报道了原位自生的超细镍纳米催化剂颗粒对固态碳表面超薄石墨化纳米结构的催化现象，并揭示了这种新型催化石墨化现象的机理，从而建立了从植物生物质到孔结构、石墨化纳米结构可调控的功能碳材料的技术路线，这为低成本、大规模制备高比表面积（> 1500 m2/g）的多孔石墨化碳及其复合材料提供了一种新途径。在此基础上，针对目前我国面临的能源、环境等关键领域，课题研究了生物质多孔碳及复合材料在水净化、电磁辐射防护、超级电容器方面的性能，重点揭示了生物质分级结构和人工纳米改性组织成分对功能特性的耦合效应，为利用生物质制备功能碳材料的研究提供理论依据和实用途径。