科创中国

(一)项目提出的背景碳及碳基复合材料在电极材料、燃料电池等领域有重要的应用。富勒烯和碳纳米管的发现为碳材料的研究开拓了新的视野。与块状碳材料相比,富勒烯和碳纳米管存在诸多优异的性质。比如,碳纳米管可用作坚韧的碳纤维,分子导线,催化剂载体等。C60在润滑剂、超导、催化和药物等领域有重要的应用。继碳纳米管和富勒烯,一些结构新颖的纳米碳结构相继被发现。代表性的包括碳洋葱,碳胶囊以及碳纳米层等。这些碳材料由于奇异的性质已成为材料科学领域的研究热点。碳洋葱在电子、生物、医药、催化领域有重要的应用。中空的碳胶囊在催化剂载体以及医药生物方面有重要的应用前景。石墨烯晶体管被视为硅晶体管的接班人。石墨烯还可用于制造电池/超级电容、储氢材料、场发射材料等。将碳与其它材料复合是制备新型材料的有效途径。碳壳的存在可以大大提高包裹粒子的稳定性。研究表明FeCo@Carbon复合粒子在医学诊断和治疗领域有重要的应用价值。碳包覆的粒子与生物体之间有很好的相容性,因而在医学方面具有广阔的应用前景。贵金属-碳复合材料对异相加氢、烷烃异构化等有机反应有高的催化效果。半导体与碳复合的材料在纳米电子和光子领域有潜在的应用。通过调节功能粒子和碳基体的种类,碳基复合材料在磁记录,锂离子电池,电波屏蔽,氧化还原催化剂和抗菌领域中重要应用。以上论述表明碳及碳基复合材料有重要的应用价值。但是传统的制备方法通常使用昂贵的,不可再生的石化产品为原料(烷烃,烯烃、芳香烃)。制备方法主要为电弧放电法,激光蒸发法及化学气相沉积法等,条件苛刻、产率低、成本高。合成碳基复合材料要经过合成--修饰等多步过程,工艺复杂成本高昂,这些因素都限制碳及碳基复合材料的产业化。因此利用廉价的原料,绿色制备工艺合成碳以及碳基纳米材料是极具挑战性的课题。(二)项目来源、水平,用途及应用领域项目来源：国家自然科学基金重点项目和面上项目。作为前期探索已开展了三年时间,生产工艺全部打通。所采用的制备工艺是全新的,处于国际领先水平,已在英国皇家化学会著名期刊《***.》发表论文一篇,现正申请多项发明专利。所制备的碳及碳基材料在以下领域有重要的应用：1)纳米碳-磁性粒子复合材料在水中有机污染物去除以及靶向给药领域有重要的应用。2)碳-银复合体可以用作高效稳定的杀菌剂。纳米碳-金(钯、铂)在烷烃异构化、烯烃加氢等工业催化领域有重要的应用。3)所制备的高表面积石墨化碳可用做超大规模电容器电极材料。4)所制备的碳-碳化钨可用作甲醇燃料电池电极材料。与商用VulcanXC272R相比,我们所合成的石墨碳-碳化钨复合材料具有高的电催化活性。(三)项目主要内容及产业化目标、任务1、项目主要内容1)制备新结构的石墨化碳(囊状、片状)及其与磁性粒子形成的复合材料。拓展石墨化碳在超大规模电容器,石墨化碳-磁性粒子在吸附-分离以及靶向给药领域的应用。2)制备碳-半导体(贵金属、碳化物)复合材料,拓展碳-半导体材料在光电转换领域,碳-贵金属在杀菌以及催化领域,碳-碳化物在甲醇(甲酸)燃料电池领域的应用。产业化目标、任务：开发一种制备石墨化碳及碳基复合材料的新工艺。该工艺具有以下几个特点：1、原料成本低,来源广泛,主要包括以下四类：1)秸秆,蒲草等农产品废弃物以及竹子、木屑等林产品;2)贝壳、蟹壳等海洋产品废弃物及其提取物;3)淀粉、葡萄糖等农产品提取物;4)天然石墨矿。2、工艺绿色,条件温和。在合成中采用水为溶剂通过浸渍-超声-干燥流程使金属(Fe,Co,Ni)离子与碳母体结合制得前驱物;依据电荷匹配原则引入其它功能性金属(Zn、Ti,Ag、Pd、Au、Pt,V、Mo、V)离子得到相应生产碳基复合体前驱物。前驱物石墨化过程中的副产物为水和CO2,金属离子溶液可循环使用,无三废污染问题。3、自行设置成套装置,其中单元设备均可采购,整个装置能耗低。一套工艺装置即可实现多种材料的生产。在小批量生产基础上,增加合成装置的数量既可实现大规模生产。(四)项目所需投资生产设备固定资金350万元;流动资金(原料采购及其它费用)450万元,总计800万元。(五)项目对我省产业发展带动作用及可获得的经济、社会效益本项目采用非化石、可再生物质为原料。在化石能源渐趋枯竭的背景下,采用廉价可再生原材料有重要意义。我省是农业大省,每年农作物秸杆产量达几千万吨;目前大部分在田野焚烧,即浪费资源又造成了安全隐患。利用秸秆、稻壳等为原料合成石墨化碳及碳基复合材料,可将这些低成本物质转化为高附加值的功能材料。还在一定程度上解决了环境污染问题。但是,由于技术、投资等方面的原因,利用农林产品以及废弃物的相关产业在我省非常有限。鉴于国内乃至国际能源问题,发展与其相关的产业是必然的趋势。这为我省建设生态城和经济可持续发展起到积极的推动作用。此外,黑龙江省石墨资源丰富。鸡西已探明石墨的工业储量***亿吨。利用这种天然的石墨矿为原料合成高附加值的石墨化纳米碳材料对我省的经济发展有重要的推动作用。