天然納米管狀礦物對模板中孔炭結構調製機理研究

《天然納米管狀礦物對模板中孔炭結構調製機理研究》是依託北京大學，由傳秀雲擔任負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：天然納米管狀礦物對模板中孔炭結構調製機理研究
• 項目負責人：傳秀雲
• 項目類別：面上項目
• 依託單位：北京大學

項目摘要

傳統多孔炭的孔徑以微孔為主，對大分子吸附分離效果差，用作商業醫學用途時不僅去除了有毒物質，人體正常血細胞也會吸附過濾掉。中孔炭材料的孔道結構規則、比表面積高、孔徑分布窄，對大分子吸附分離有獨特優勢，在儲能、醫藥等領域有廣闊套用前景。本課題採用天然納米管狀礦物（埃洛石、纖水鎂石、纖蛇紋石、凹凸棒石等）作為模板對合成炭材料結構進行調控，試圖研製特殊結構納米炭如彎曲炭卷、中孔炭。採用先進電子顯微技術等手段，在分子水平上研究天然納米管狀礦物、以及合成炭材料的微結構和性狀，通過正交實驗等研究納米管礦物、合成炭材料的結構參數、性能、形成條件的關係，研究礦物模板分子結構炭材料結構的控制機理，探索天然納米管狀礦物對合成炭材料結構的調控機理。研究以天然納米管狀礦物作為模板合成炭材料的物理化學性能，包括中孔炭的電學、醫學性能等，有可能獲得性價比良好的炭材料，對炭材料製備和礦物套用有重要科學意義和套用價值。

結題摘要

本項目以天然納米管狀礦物（埃落石）和納米纖維礦物（纖水鎂石、纖蛇紋石）為模板，蔗糖為碳源，合成了蔗糖基納米礦物模板中孔炭, 中孔率很高，超過90%。採用電子顯微鏡等手段對其進行了形貌、結構分析，以天然納米管埃洛石礦物為模板合成了“殼-核”結構的中孔炭研究。以天然納米纖維礦物纖水鎂石、纖蛇紋石為模板合成了管狀結構、三維聯通孔道結構的碳材料。研究發現礦物的結構、化學成分、合成條件都對模板炭的合成有影響。通過調控模板類型、模板與碳源的比例，可以調控炭材料的孔結構分布、比表面積等，進而影響模板炭的電化學性能。合成天然納米纖維礦物（纖水鎂石、纖蛇紋石）模板中孔炭作為鋰、鈉離子電池負極時，具有優異儲能性質。鋰離子電池充電比容量分別可達到 480.2 mAh/g、376.8 mAh/g，均高於商業化石墨負極，且遠高於酚醛樹脂基介孔炭球(74.3 mAh/g)。鈉離子電池充電比容量分別可達到 134.4 mAh/g、120.1 mAh/g，也高於酚醛樹脂基介孔炭球的 74.3 mAh/g。對比分析發現空心的納米管狀礦物（埃落石）比實心的納米纖維礦物（纖水鎂石、纖蛇紋石）作為模板製備的中孔炭材料比電容存在差異，可能與孔結構分布有關。基於成分結構研究結果，設計了三維核殼結構納米複合材料，作為儲鋰材料時，具有優異的儲鋰容量、倍率性能和循環性能，電流密度為500mA/g時容量達到1055mAh/g，150 次充放電循環之後沒有衰減，有望作為負極材料用於下一代高能量鋰離子電池中。天然納米礦物模板中孔炭有可能成為新一代高性價比的儲能材料。