《基于海藻生物多糖的高性能能量储存与转换材料制备》

该项目属材料科学领域。传统的电化学能量储存与转换材料(如碳材料、过渡金属氧/氮/硫化物和贵金属催化剂等)的制备依赖于石油、煤等不可再生资源或地球丰度低的过渡金属和贵金属等,严重限制了可再生能源系统的建立和发展。以竹子、木材等陆生植物为碳源,合成多孔碳电极材料的研究虽已广泛开展,但利用天然高分子导向合成各种纳米结构的过程,仍存在纳米颗粒分布不均匀、形貌和孔结构不可控等难题。

该项目以来源丰富、可再生的海洋生物多糖资源为前驱体,实现了对电化学能量储存与转换材料的可控制备。项目的研究为可再生能源系统开辟了全新的重要途径。

该项目自2010年起,历经多年持续攻关,在国家863计划重点项目(2010AA093701)等项目的支持下,首创性提出利用海藻酸钠和卡拉胶两种海洋生物多糖中的特殊官能团与过渡金属离子进行分子络合配位,分别形成“蛋盒”结构和“双螺旋”结构,再经碳化实现了金属氧/氮/硫)化物以及碳纳米结构的可控制备(如各种金属氧化物/碳复合纤维,氮化铁/石墨烯复合气凝胶,金属硫化物/碳气凝胶,介孔碳纳米纤维等);同时揭示了此类纳米复合结构在锂/钠离子电池储锂/钠、超级电容器储能、新型金属空气电池和燃料电池阴极电催化中的工作机理,构建了基于海藻生物多糖的新型能源材料。项目科学创新发现如下:

1.揭示了基于海藻生物多糖的锂/钠离子电池微纳负极材料的可控合成机理。利用卡拉胶的“双螺旋”结构和海藻酸钠的“蛋盒”结构,解决了生物质模板可控性差的难题,实现了过渡金属氧/氮/硫化物和多级孔碳材料的可控合成。为锂/钠离子电池负极和超级电容器储能材料的绿色合成提供了新途径。

2.提出了海藻生物多糖抑制锂离子电池正极材料阳离子混排缺陷的机制。揭示了海藻酸钠的“蛋盒”结构抑制锂离子电池正极材料阳离子混排的机理,克服了由于阳离子混排问题导致的循环稳定性和倍率性差的问题,并有望在锂离子二次电池领域取得实际应用。

3.发现了海藻生物多糖导向合成燃料电池非贵金属氧还原电催化剂的机制。发现了海藻酸钠的“蛋盒”结构导向合成高性能非贵金属纳米气凝胶电催化剂的机制,解决了贵金属电催化剂稀缺昂贵的难题,有望为绿色能源转化技术(氢能利用等)的推广奠定基础。

4.利用海藻生物多糖实现超级电容器多级孔碳材料的可控合成。以海藻酸钠及绿藻污染物-浒苔为原料制备具有多级孔结构的碳气凝胶材料,成功引入微孔-介孔-大孔的多级孔道结构,极大的提高了该类碳材料的电化学性能,为超级电容器储能材料的绿色合成提供了新途径。

该项目在前期海洋生物多糖结构研究与应用工作的基础上,开展了可再生海藻资源在新能源领域的高值化利用研究。发表相关SCI收录学术论文31篇(影响因子7以上24篇)。8篇代表性论文,均为JCR一区,其中影响因子20以上1篇,影响因子10以上4篇,ESI高被引2篇。申请国内专利50余项,其中获授权相关专利25项。

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