新型碳材料的設計是當前材料科學研究的一個熱點，碳材料可廣泛應用于傳感、催化、儲能、環(huán)境修復等領域。傳統(tǒng)制備碳材料的原料都是以化石資源為主，但隨著化石能源的大量消耗，環(huán)境問題也變得日益突出。因此，開展以可再生的、廉價的、綠色環(huán)保的生物質(zhì)為原料制備碳材料的研究具有重要的意義，也是可持續(xù)和綠色化學的目標和方向。
中國科學院新疆理化技術(shù)研究所資源化學研究室研究員張亞剛帶領其團隊立足于新疆資源轉(zhuǎn)化，以新疆豐富的棉花短絨為原料，設計開發(fā)了新型碳纖維和功能型氮摻雜多孔碳材料。在前期的工作中，張亞剛團隊設計開發(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。在制備碳纖維制過程中，采用了較為環(huán)保的纖維素氨基甲酸酯工藝（CarbaCell），該工藝與傳統(tǒng)制備再生纖維素的方法相比，不僅生產(chǎn)流程更簡便，而且在制備再生纖維素纖維過程中更環(huán)保。相關研究成果發(fā)表在國際刊物 ACS Sustainable Chemistry & Engineering，2016, 4(10): 5585-5593上。
近日，張亞剛團隊以棉花短絨為原料，經(jīng)纖維素氨基甲酸酯、溶液配制，碳化、活化等步驟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，比表面積達到3700m2/g，氮含量達到7.7%。同時，系統(tǒng)地考察了不同的碳化溫度對試樣得率、元素組成、形貌、孔結(jié)構(gòu)的影響。
科研人員還對氮摻雜多孔碳的電化學性能和染料吸附進行了評價，結(jié)果顯示，以該材料制備的超級電容器，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)5000次后比電容容量仍可保持初始容量的93-95%。此外，在濃度是1摩爾每升的H2SO4電解液中比電容容量達282 F/g，在6摩爾每升的KOH電解液中比電容容量達289 F/g，同時具有優(yōu)異的倍率特性。實驗結(jié)果表明，所制備的氮摻雜多孔碳具有優(yōu)異的染料吸附性能，對亞甲基藍的吸附容量達到1551mg/g。
相關研究成果已申報中國發(fā)明專利，并于近期發(fā)表在國際刊物《材料化學雜志A》（Journal of Materials Chemistry A ）上。這種以植物基可再生資源為原料，工藝簡單，結(jié)構(gòu)可控，超高比表面積的氮摻雜多孔碳材料在能源和環(huán)境領域有著較好的應用前景，同時也為新型功能性碳材料的設計提供了一種新的設計思路。
該研究工作得到國家自然科學基金、“千人計劃”、新疆青年科技創(chuàng)新人才-杰出青年科學基金等項目的支持。
論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ta/c7ta02113e#!divAbstract
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