功能型碳材料是以碳作為基本骨架的新型材料。這類材料具有發達的孔隙、高的比表面積、優良的耐熱性能，孔徑大小可調等優點，使其在催化、吸附、傳感、分離以及儲能領域有著廣泛的應用。采用各種可再生資源為原料來制備新型碳材料，成為近年來的一個研究熱點。
中國科學院新疆理化技術研究所資源化學研究室研究員張亞剛帶領的精細化工工程中心團隊近年來聚焦新疆棉花、油脂等優勢資源轉化，面向氯堿化工，石油化工、煤化工節能減排、節能降耗、提質增效的實際需求，開展了一系列包括新型功能型碳材料、植物基環境友好生態潤滑材料、高分子助劑和油田助劑在內的化工新材料設計研究并取得進展。
在前期的研究工作中，張亞剛團隊設計開發了一種以棉花短絨為原料，環保、低成本制備碳纖維的新工藝。采用環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。相關研究成果發表在國際刊物《可持續化學與工程》（ACS Sustainable Chemistry & Engineering，2016, 4(10): 5585-5593）上。
同時以棉花短絨為原料，經纖維素氨基甲酸酯、溶液配制，碳化、活化等制備出了氮摻雜多孔碳材料，該材料孔隙結構可調，具有超高的比表面積（3700m2/g）的氮摻雜多孔碳材料，氮含量達到7.7%。以該材料制備的超級電容器，具有優異的電化學性能和循環穩定性。所制備的氮摻雜多孔碳還具有優異的染料吸附性能，對亞甲基藍的吸附容量達到1551mg/g。相關研究成果發表在國際刊物《材料化學雜志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，經碳化與氧化后，制備出性能優異的多孔碳材料，將其用作超級電容器的電極材料，相關研究成果發表在國際刊物《皇家化學會進展》（RSC Advances, 2018, 8, 3869 -3877）上。
我國是世界上主要產棉大國，而新疆是我國產棉第一大省，棉花是新疆最具優勢的特色資源之一，棉籽產量達450-500萬噸，棉籽殼資源來源廣，資源量非常豐富，因此，棉籽殼的資源化利用，意義重大。近日，張亞剛團隊以價格低廉、來源廣泛的可再生生物質資源棉籽殼為原料，制備出了氮摻雜多孔碳材料。相對于傳統碳材料的制備方法，該方法在原料上成本低，同時，原料成分穩定均一，無需進行復雜的成分分離，原料也無需干燥，可直接進行碳化，工藝過程操作簡單、安全，碳化活化一步完成，且無需添加模板進行后處理等步驟，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2500 m2/g，氮含量可達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，在超級電容器中顯示出優異的性能，比電容可達320-340F/g（電流密度為0.5 A/g），同時也可作為新型吸附和分離用功能材料。相關研究成果近日在線發表在國際刊物《皇家化學會進展》（RSC Advances. 2018, 8, 42405–42414）上。
相關科研成果已經申請多項國家發明ZL并獲得授權，有關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表后，得到國內外媒體的廣泛關注和報道。研究工作得到國家“千人計劃”、國家自然科學基金等的支持。
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.
基于可再生生物質資源棉籽殼的氮摻雜多孔碳材料制備及其應用
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