《碳基纳米复合材料的制备与性能调控及其应用基础研究》

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该项目研究成果属于新材料、纳米技术和能源材料交叉领域。

碳基纳米材料(石墨烯、纳米碳)及其杂化复合材料因其独特的性能引起了学术界和工业界的广泛关注,在能源转换、存储、传感、显示和信息等领域有广泛的应用前景。纳米碳、石墨烯材料的可控制备、性能调控是实现其应用的前提和基础。围绕纳米碳、石墨烯及其杂化纳米材料制备的可控性差、难以调控其性能等科学问题,该项目开展了创新性研究工作,形成了特色的研究体系,所取得的主要科学发现点如下:

(1)发展了液相剥离石墨烯技术,提出了7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷(TCQN)作为稳定剂的新思路,获得高质量水溶性和有机溶剂可溶性的石墨烯。在此基础上,结合溶剂热辅助技术,在强极性有机溶剂中利用偶极相互作用,实现石墨烯的剥离和分散,无需添加稳定剂或改性剂,所得石墨烯没有任何明显的结构缺陷,为石墨烯的应用奠定了基础。英国皇家学会Fellow,印度国家科学院/工程院双料院士C.N.R.Rao评述“共价键修饰的石墨烯不会影响其电子结构。…超声处理(TCNQ)处理的膨胀石墨,…得到水溶性石墨烯。”

(2)实验上率先液相制备了磷掺杂的石墨烯样品,发明了高浓度氮、磷掺杂的石墨烯低温液相掺杂技术,实现了石墨烯电学性能的有效调控,获得了空气中稳定的氮掺杂石墨烯材料。“美国科学院/医学院双料院士Charles M.Lieber肯定了课题组的实验方法,“钱(一作)等人通过溶剂热辅助剥离过程…石墨烯,产率达到10-12wt%。”

(3)深入研究了氮掺杂石墨烯中不同种类的氮在电催化中的作用与机制,合成了系列氮掺杂石墨烯复合物作为氧还原反应的催化剂。表现出与商用铂碳催化剂相当的氧还原催化性能、优异的耐甲醇活性和时间稳定性,对研发非贵金属催化剂具有重要科学意义。加拿大皇家科学院/国家工程院双料院士张久俊评价“张等人报道了石墨化的氮和吡啶型氮的总含量对加强氧还原反应活性起到重要作用。”

(4)开发了实时生长新技术,借助活性材料与石墨烯或纳米碳结构基底的相互作用,提高复合材料的电化学性能,设计和制备了多种高性能的锂离子电池负极材料,为高性能、低成本锂电池电极材料的制备提供了有效途径,拓展了纳米碳、石墨烯的应用领域。

该项目发表SCI论文20篇,合作出版了英文2章节。其中10篇代表性论文,有7篇论文入选TOP1% ESI高被引论文,累计影响因子102.067,被SCI他引1664次。研究成果获授权中国发明专利4项。

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