[00989878]新型N-P掺杂碳材料及石墨复配技术开发与产业化

该项目属新型碳功能材料学科。新型碳复合材料的制备与结构改性包含催化与导电先进材料领域的共性技术。碳纳米管自1991年发现以来，在光电子器件、储氢材料、电池等领域有着十分广阔的应用前景。然而由于纯碳碳纳米管通常为惰性，活性位点相对较少，在一定程度上限制了其催化活性、生物相容性和电子传递特性。 相比纯碳纳米管，氮(N)、磷(P)等元素的掺杂改性可有效弥补原有材料的不足，结合其结构改性带来的特殊力学特性与吸附特性，可用于制备各类高效催化剂、超灵敏生物与环境传感器、快充锂电池石墨负极改性材料等。N-P掺杂碳纳米管的原位合成制备工艺复杂，在中国起步较晚，应用积累相对薄弱，关键技术长期被发达国家控制和垄断。 项目组以N-P掺杂碳纳米管为主要研究对象，基于高性能催化剂、超灵敏传感器关键探测材料、大容量快充锂离子电池石墨负极材料的切实需求，围绕理论和重大关键技术问题开展了技术攻关，制备了用途广泛、成本低廉、性能突出的新型N-P掺杂碳材料，开发了配套石墨复配技术，实现了产业化应用。该项目主要技术创新如下： (1)成熟可控的N-P掺杂碳材料制备技术：创新的可控N-P掺杂碳纳米新材料(CNxPy)制备技术和配方，采用独特的化学气相沉积(CVD)法，在新型含铁催化剂的诱导下，通过改进配方和工艺，实现N、P在碳纳米管合成中的有效掺杂，提高CNxPy合成效率与成品质量，并使其呈现竹节状形态，达到对材料长径比的调控，拓宽了碳纳米管的应用范围。利用该方法制备的N-P掺杂碳纳米管，已被同济大学、上海大学、上海师范大学等多个课题组采用，用于制备生物燃料电池电极材料、替代贵金属的高效加氢催化剂、生物高灵敏传感器，以及改性石墨新材料等。此外，利用废弃磷化渣提纯多孔磷酸铁作为催化剂和磷源，可进一步降低CNxPy材料的制备成本。 (2)创新的CNxPy与石墨插层-包覆原位制备技术：对石墨进行前处理，利用CNxPy材料的高相容性，通过创新的石墨插层-包覆原位制备技术，将CNxPy插层于石墨中，同时包覆于石墨表面，并保持了材料的均匀性与一致性。CNxPy的插层-包覆形成了复合纳米层，降低了石墨表面在充放电过程中层间空隙的形变，减少了SEI膜的破坏，提高了高倍率条件下的稳定性与容量保持率。 (3)CNxPy与天然石墨、人造石墨原位复配技术，赋予石墨负极材料快充特性：利用CNxPy的高导电性，结合石墨插层-包覆技术，创新的采用原位复配技术，将天然石墨的高容量特性与人造石墨的高倍率特性相结合，大幅提高改性后石墨负极材料性能，并降低成本。经循环测试，首次充放电容量≥355mAh/g，循环寿命≥500次，充电倍率≥3C，首次放电效率≥92％，容量保持率≥80％，可用于快充动力锂离子电池等场合，具有较高的市场价值与使用前景。 该项目研究获相关资助10项，授权发明专利8项，发表论文15篇，形成了完善的自主知识产权，相关材料已实现产业化应用，近三年创造产值超1.5亿元。经中国科学院上海科技查新咨询中心科技水平检索，该项目属“国内领先，国际先进”。