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  新型碳材料的設(shè)計(jì)是當(dāng)前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，碳材料可廣泛應(yīng)用于傳感、催化、儲(chǔ)能、環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)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(jià)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(xué)的目標(biāo)和方向。  

  中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所資源化學(xué)研究室研究員張亞剛帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)立足于新疆資源轉(zhuǎn)化，以新疆豐富的棉花短絨為原料，設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jiǎn)便，而且在制備再生纖維素纖維過程中更環(huán)保。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際刊物 ACS Sustainable Chemistry & Engineering，2016, 4(10): 5585-5593上。  

  近日，張亞剛團(tuán)隊(duì)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(dá)到3700m2/g，氮含量達(dá)到7.7%。同時(shí)，系統(tǒng)地考察了不同的碳化溫度對(duì)試樣得率、元素組成、形貌、孔結(jié)構(gòu)的影響。 

  科研人員還對(duì)氮摻雜多孔碳的電化學(xué)性能和染料吸附進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，以該材料制備的超級(jí)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(dá)282 F/g，在6摩爾每升的KOH電解液中比電容容量達(dá)289 F/g，同時(shí)具有優(yōu)異的倍率特性。實(shí)驗(yàn)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(duì)亞甲基藍(lán)的吸附容量達(dá)到1551mg/g。 

  相關(guān)研究成果已申報(bào)中國(guó)發(fā)明專利，并于近期發(fā)表在國(guó)際刊物《材料化學(xué)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(jiǎn)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(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景，同時(shí)也為新型功能性碳材料的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。 

  該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、“千人計(jì)劃”、新疆青年科技創(chuàng)新人才-杰出青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。  

  論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ta/c7ta02113e#!divAbstract