煤基功能性纳米和微米炭素材料的制备、结构和性能及其应用

煤既是重要的能源，亦是新型炭材料和化学品的重要原料前驱体。以煤为原料制备新结构高性能的炭素材料已引起人们的高度关注并显示出乐观的发展前景，研发具高附加值的新型煤基炭材料，既是社会发展之需求，亦是煤化工和炭材料学科进一步发展及煤炭向精细化深加工发展的重要推动力。本课题根据煤炭的结构和化学组成特点，基于"分子剪裁"和"产品工程"的策略，通过有机地融合煤化工、等离子体物理和多相催化等技术方法，探究以煤为原料选控制备功能性纳微米炭材料的技术和理论。研究调控煤基微纳米炭材料的结构和形貌、化学组成和物理化学性质的技术方法；揭示煤炭化学组成和结构、制备炭材料的工艺参数及所用催化剂对目标功能炭材料的组成、结构及性能的影响规律；搞清煤基微纳米炭材料的形/生成机制，提出相应的理论和模型；揭示煤基微纳米炭材料的最佳应用途径和理论。为形成有自主知识产权、以中国煤制备新结构高性能微纳米炭材料的新技术奠定坚实理论基础

煤炭的高附加值利用是国内外关注的重大课题之一。基于“煤化工精细化”的科学发展理念，本项目围绕以煤为原料制备新结构高性能的不同尺度的功能炭材料开展了系统的研究，根据煤炭的结构和化学组成特点，基于"分子剪裁"和"产品工程"的策略，通过有机地融合煤化工、等离子体物理和多相催化等技术，研究建立了以煤为原料选控制备功能性纳微米炭材料的新技术方法，比较系统地研究了调控煤基微纳米炭材料的结构和形貌、化学组成及物化性质的新方法，揭示了煤炭化学组成和结构、炭材料的制备工艺参数及催化剂对目标功能炭材料的组成、结构及性能的影响规律，初步揭示了数种煤基微纳米炭材料的形成机制；研究揭示了煤基微纳米炭材料的应用途径。重要的进展是：实现了炭微米树、微米炭螺旋、单壁纳米碳管、双壁纳米碳管、石墨烯等功能炭材料的选控制备；提出了基于纳米碳管的原位生长和自组装构筑功能性炭膜材料的新技术方法；研究揭示了二氧化碳辅助CVD法制备炭膜材料的机制；提出了一种高效利用煤炭直接液化残渣的新方法，实现了高附加值的炭纤维材料、CNFs/CF的可控制备，发现CNFs/CF是一种高效的乙苯氧化脱氢催化剂；基于CNT负载的钌催化剂，发展了一种以空气为氧化剂，水为溶剂，Ru/CNTs为乳化剂/催化剂的乳液催化方法，成功实现多种醇类化合物的高效催化选择氧化制备高附加值的醛类或酮类化合物；提出并建立了石墨烯绿色化可控功能化的技术方法、制备出兼具超低密度和高度可压缩性能及吸附性能的石墨烯气凝胶－超轻石墨烯气凝胶，等等。项目执行期间，获教育部自然科学一等奖和二等奖及辽宁省自然科学二等奖各1项；发表学术论文100余篇，其中SCI收录85篇(SCI IF>5论文19篇)，EI收录70余篇，发表论文被SCI他引320次；参编专著2部（中英文各一）；申请及授权中国发明专利26项；课题成员受聘教育部长江学者特聘教授、入选教育部新世纪人才、获国务院政府特殊津贴、入选大连市首批领军人才、获第八届辽宁省优秀科技工作者荣誉称号、大连市优秀专家各1人次；创建了美国PSU-DUT联合能源研究中心和辽宁省能源材料化工重点实验室；国际学术会议邀请报告11次、国际会议学术/顾问委员会委员7人次；培养博士后7名(3名已出站)、博士生19名(6名已毕业)、硕士生12名。毕业博士生中1人获辽宁省优秀博士论文和全国百篇优秀博士论文提名奖。

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