Carbontech 2020 多孔碳材料論壇精彩呈現

2020年11月18-19日，在上海跨國採購會展中心，多孔碳材料論壇如期順利舉辦。作為2020第五屆國際碳材料大會主要論壇之一，與會嘉賓從多孔碳材料的製備、測試、應用及產業化等話題的前沿方向，進行了詳實的報告分享，大家踴躍交流，積極討論！感謝與會嘉賓和參會人員的包容和支持，論壇精彩呈現，掠影一睹為快！

防疫消殺

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論壇概況

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論壇報告

陳成猛

中國科學院山西煤炭化學研究所 研究員

開幕式致辭

多孔碳材料分論壇開幕式上，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員發表致辭。對參加論壇的各位多孔碳材料行業人，表達了衷心的感謝！多孔碳材料人堅持守候、孜孜不倦的進行科學研究、技術研發和產品革新，和行業科研單位與企業保持交流和精誠合作，包容並蓄，表達敬意！

劉健

中國科學院大連化學物理研究所研究員

納米多孔炭材料具有高比表面耐高溫化學穩定性好等特點，在吸附催化新能源等領域應用十分廣泛。在催化和吸附領域，提高多孔炭性能的關鍵是對其孔道與形貌的精確調控和功能高效集成。劉健研究員實驗室開發了納米多孔炭球的合成及功能化的新策略，可實現高分散，高品質具有不同顆粒尺寸，孔徑大小，孔排布及有序度，功能基團，石墨化程度的多孔炭球。並將其應用於CO2捕獲與轉化，多相催化，能源存儲與轉化方面。同時設計合成了一系列雜原子功能化的多孔炭球，炭中空球，蛋黃-蛋殼結構炭球，這些炭球在能源存儲與轉化表現出特有的性能。構建了一系列金屬納米粒子（Au, Pt, Rh, Ru, Ag, Pd, Ir, Fe and Cu）負載或限域的炭球基納米反應器, 在催化反應中表現出極好的活性選擇性及穩定性。該技術可以大規模製備，有望成為商業化炭球。

郝廣平

大連理工大學教授

炭基材料具有結構豐富，孔隙可調，化學穩定性好等突出優點，在吸附分離、催化等領域的基礎研究及工業應用方面都取得重要進展。報告圍繞炭基功能材料的結構調控及分子離子的傳導分離應用，包括以下三部分內容：（1）孔結構調控：孔道空間、孔道骨架與孔道表面調控及CO2吸附分離；（2）表面化學調控：超親水炭材料的表面化學精細調變及極性分子富集；（3）結構單元調控：石墨烯及類石墨烯二維晶態材料的離子選擇性傳導。

楊卷

西安交通大學副教授

超級電容器具有充放電時間短、循環壽命長、功率密度高等特點，在軌道交通、升降/啟停系統、軍事國防等領域展現出廣闊的應用潛力。電極材料作為超級電容器的核心，其內部緩慢的電子/離子傳輸速率導致器件的存儲/釋放效率低於預期。改善電極材料的傳輸動力學是獲得高性能超級電容器的關鍵和可行性策略之一。報告介紹了多種功能碳材料的可控制備技術，通過對碳材料的結構設計與調控，顯著提升其電化學性能。上述系列研究工作為高比能儲能器件用電極材料的設計和實用化提供了新思路。

陳成猛

中國科學院山西煤炭化學研究所研究員

多孔炭材料是超級電容器核心電極材料，直接決定儲能性能。陳成猛研究組以生物質、煤炭和高分子等為原料，開發超級電容多孔炭材料。研究了有機前驅體向無機炭演變的化學機制，實現了形貌、表面和孔結構的理性設計與調控，探索工藝對結構與性能的影響規律，建立構效關係，明確指標體系及工藝控制點。報告介紹了全套工藝流程，研製配套裝備，建成10噸級電容炭中試線，完成公斤級材料用戶評測，實現指標定型和工藝固化。依託自主炭材料設計開發多種超級電容器，並在太陽能路燈和遊覽車等領域形成應用示範。

彭新文

華南理工大學教授

生物質為自然界中最豐富、廉價的有機碳源，立足當今與未來，拓展開發利用各種生物質資源是解決未來綠色碳基能源、催化材料及平臺化學品可持續發展問題的關鍵途徑之一。報告分享了報告人關於在生物質碳基多孔材料方面的研究工作進行介紹。(1) 以生物質木材的天然結構為基礎材料、以木質素、纖維素等各組分為柔性碳骨架，基於生物酶/菌的溫和預處理造孔技術，利用冷凍導向、高原子經濟性的金屬單分散摻雜等方法製備一系列自支撐、柔性、可呼吸的全生物質碳基多孔體相電極，並研究其在電化學儲能及動力電池中的應用。（2）針對當前可壓縮彈性碳材料結構與性能問題，通過納米纖維素焊接的造孔方法，構建連續波浪形層狀結構來解決生物基碳氣凝膠壓縮與彈性問題的有效策略，並探討材料的壓力傳感性能及在可穿戴電子器件、鋅空電池方面的應用。

夏鴻雁

西安交通大學副教授

石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景。然而，高效高品質製備和均勻化分散是限制石墨烯規模化應用的關鍵。報告以中間相炭微球和KOH為原料，化學活化製備了以石墨烯為殼層，炭微球為核的活性石墨烯炭球。該材料具有高的比表面積（1800 m2 g-1）和遠大於普通活性炭的導電性。將該材料作為超級電容器電極時，展現出了優異的倍率性能（當電流密度由5A·g-1增至50A·g-1時，性能保留率近乎100%）和循環性能。將其作為填料製備樹脂基複合材料時，表現出優異的抗摩擦磨損性能，複合材料摩擦係數較純樹脂降低了45%，磨損率較純樹脂下降了95%。

王朝陽（金亮博士代）

中物院雷射聚變研究中心研究員

碳氣凝膠是一種新型納米碳材料，具有超高比表面積、合理的孔徑分布、孔結構和易於控制的表面性質。與超級活性炭電極相比，在很寬的範圍內有很高且穩定的電導率，可以克服內部接觸電阻大、電解液難以進入微孔、比表面積利用不充分等問題。特別是其獨特的可設計能力和可控原料使其對生物原料的超級活性炭由天然的替代優勢。本報告簡要介紹了有機及碳氣凝膠的製備技術，在超級電容、鋰硫電池、電化學除鹽、燃料電池催化劑以及電磁屏蔽等方面的應用研究。詳細介紹了從低成本工業原料出發，解決原料活性和連續化工藝設計問題，噸級生產線設計與運行中需要考慮和解決問題。

陳永

海南大學教授

由於循環壽命長、功率密度高、環境友好、工作溫度寬及安全可靠等優點，超級電容器在交通運輸、風光發電、電動工具、軍工等領域廣泛應用，備受關注。影響超級電容器性能的最主要因素是電極材料，目前商業化應用的電極材料是活性炭，它的孔結構，孔徑分布，表面結構，表面化學狀態，雜原子摻雜，導電率等對對於離子吸附存儲及超電容性能起著至關重要的作用。這對於理解電容存儲機理，開發高性能超級電容器電極材料具有重要的指導意義。

管濤濤

中國科學院山西煤炭化學研究所助研

煤瀝青是焦化工業的副產品，由數千種稠環芳烴組成，因其成本低、殘炭率高、灰分少等特點，非常適合作為高端活性炭的原料。開發簡便高效的調節活性炭孔結構的方法也是本領域研究的熱點和難點。本報告闡明原料瀝青組成和氧化程度等因素對活性炭孔結構發展的影響機制，並通過二者耦合調製實現對瀝青基活性炭孔徑分布的精準調控；在此基礎上，結合瀝青不同組分的分子熱解、自組裝特點以及功能化試劑的原位摻雜，定向構築具有層次納米結構的瀝青基活性炭材料，並考察其電化學儲能性質。

邱洪燈

中國科學院蘭州化學物理研究所研究員

報告中採用新型的部分燃燒策略，開發了一種簡單、快速、高效、低成本製備多孔石墨烯的新方法。結果表明，通過控制鹽模板的含量可以實現多孔石墨烯孔徑的精確調控。採用類似方法，可以分別製備得到多孔碳和多孔石墨烯及多孔石墨烯和金屬氧化物的複合材料等。又將Hummers法製備氧化石墨烯的過程與燃燒法結合，發展出了一種直接從石墨到納孔石墨烯的一步合成新方法，實現了納孔石墨烯的簡單快速的一步合成。預期這些材料將有很好的應用前景。

李瑛

浙江工業大學教授

多孔炭具有成本低廉、比表面積高、吸附能力、強耐酸鹼腐蝕等特點，可以直接做催化劑或者負載其它組分應用在諸多工業化催化過程中，例如聚合物單體（氯乙烯、醋酸乙烯、氟乙烯）、農藥（百菌清）及精細化學品生產的氯化、氟化、氟氯交換及氫氯化反應等。上述幾個工業對催化劑的需求量巨大，例如僅氯乙烯單體生產的低汞催化劑的年消耗量就有2萬噸之多。是連結煤化工、石油化工、精細化學品化工領域的重要催化劑體系，報告基於本課題組在乙炔氫氯化及加氫催化劑的開發經驗，從基礎理論及工業化應用對多孔炭催化劑的催化機理、調控合成及產業化生產存在的問題進行探討，指出了炭基催化劑在工業化過程中遇到的一些共性問題及解決方案，為工業催化劑的開發及使用提供參考。

席躍賓

齊魯工業大學副教授

木質素是一種天然富含芳香結構的高分子聚合物，儲量僅次於纖維素。工業木質素主要來源於製漿造紙黑液和生物煉製殘渣，其高含碳量、高芳香性和高熱值等特點是構建多孔碳材料的理想碳源。利用常用的鉀化合物作為活化劑，構建出具有良好儲鋰性能高石墨化木質素基多孔碳（LPC）並闡明鉀化合物對木質素的碳化活化機理；在此基礎上，為了降低LPC比表面積和微孔率，設計具有低溫氣相剝離-自模板作用的綠色活化劑來構建分級多孔LPC，提高了LPC的首次庫倫效率和體積比容量；最後，為了進一步改善LPC負極儲鋰性能，分別依據木質素兩親性、高芳香性等特點和LPC多孔性的特點製備木質素碳/碳納米管複合材料和木質素碳/二氧化錫複合材料。

張學同

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員

石墨烯是由sp2雜化碳原子組成的具有蜂窩狀結構且僅僅為單個原子層厚度的二維薄片。氣凝膠是採用特殊工藝把溼凝膠中的液體用氣體置換而不顯著改變凝膠網絡的結構和體積而得到的具有低密度和高比表面積的高度多孔性納米材料。實現以石墨烯為骨架單元的氣凝膠的合成，既提供了一種二維石墨烯的三維集成與組裝方法，又賦予了石墨烯以氣凝膠形式存在時所特有的性能，因而無論在基礎科學還是在應用科學方面都有非常重要的意義。本次報告將介紹我們課題組在石墨烯氣凝膠的結構設計、控制合成及應用基礎研究方面的最新進展。

陳小華

湖南大學教授

石墨烯薄膜，一種宏觀紙狀碳基材料，由於其獨特的自支撐結 構，高導電性和高柔韌性等優點迅速成為了儲能材料和散熱材料開發領域的熱點。基於以上考慮，本工作利用石墨烯薄膜高導電性、高強度、良好的化學穩定 性和柔韌性優勢，提出在薄膜中構建納米尺度孔結構體系、石墨烯片層間引入具有氧化-還原活性的有機官能團，使石墨烯薄膜的內 部空間和外表面得到充分利用，這樣的結構具有三個優勢：（1）高度的柔性和摺疊性；（2）3D結構為石墨烯薄膜提供縱向熱輸運通道；（3）實現孔隙 率、緻密度和高容量的一致性，在質量容量、體積容量、倍率性能、循環穩定性 和力學性能等方面獲得優異綜合性能。

柳劍峰

貝士德儀器科技（北京）有限公司總經理

報告主要介紹了1、多孔碳材料的主要特性，2、多孔碳材料主要特性的吸附表徵方法的原理簡介，3、吸附表徵應用於多孔碳材料在能源存儲和轉換方面的研究方法，4、吸附表徵應用於多孔碳材料在催化方向的研究方法，5、吸附表徵應用於多孔碳材料在吸附分離方向的研究方法等內容

吳張雄

蘇州大學教授

在多孔碳材料骨架內或孔道中引入雜原子或其他組分，可提升或拓展其性質與性能。前驅體的選擇與造孔過程的設計對調控多孔碳材料的組成、結構與性能具有重要影響。報告人以小分子胺基酸為前驅體，通過無溶劑納米澆築與表面塗覆等方法獲得了具有高含量雜原子摻雜的多孔碳材料。在此基礎上，利用胺基酸與金屬離子的配位性與反應性，製備出了搭載金屬團簇或單原子位點的多孔碳基催化劑以及多孔碳/金屬硫化物複合材料。另外，利用胺基酸作為金屬離子與催化劑載體的橋梁，可製備出多種高分散的負載型金屬基催化劑。通過初步探索，所得材料在一些典型的催化體系中（如電催化、選擇性加氫催化等）展現出了良好的性能。

力小安

南京動量材料科技有限公司總經理

報告討論了膠體印製碳、有序介孔碳、納米多孔碳膜等納米多孔碳材料在熱處理和化學修飾前後的表面屬性，也將論述這些材料在用作氫氣燃料電池催化劑載體時的電化學穩定性，包括熱處理和化學修飾對其穩定性的影響。

感謝與會人員的傾情參與，希望論壇及碳材料大會的舉辦，能夠為大家提供一個多孔碳材料的產學研溝通交流平臺。以此為契機，我們可以吸收頂尖研究機構和公司的遠見卓識，整合多孔碳材料領域產業鏈資源，將突破性的研究發現和解決方案從實驗室對接轉移到市場，讓科研賦能產業，同時讓產業來反哺科研，推動多孔碳材料行業的高質量發展。