劉剛課題組在多孔材料的制備與功能化應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
【 發(fā)布日期：2023-05-15 | 點擊：】
（通訊員林志穎）近日，劉剛課題組在多孔材料的制備與功能化應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)工作以課題組碩士生為第一作者發(fā)表在SCI期刊Separation and Purification Technology（一區(qū)，IF：9.136）、Fuel（一區(qū)，IF：8.035）、Electrochimica Acta（IF：7.336）和Energy & Fuels（IF：4.654）上。論文的第一貢獻(xiàn)單位均為湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點實驗室，第一作者分別為課題組研究生王研銘、林志穎、華英楠、馮濤。
生物質(zhì)衍生碳由于獨特的多孔結(jié)構(gòu)及大的比表面積，在儲能、催化、吸附等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在前期的工作中，團(tuán)隊通過預(yù)碳化、水熱、化學(xué)活化等有效結(jié)合，將生物質(zhì)廢棄物梔子花（Journal of Energy Storage, 2021,33,102061）和高粱（Journal of Energy Storage, 2021,44,103286）轉(zhuǎn)化為具有大比表面積的分級多孔碳，在用作超級電容器電極材料時，獲得了極好的電化學(xué)性能。為提高生物質(zhì)衍生碳的機(jī)械性能，團(tuán)隊以香蒲廢棄物和聚酰胺為前驅(qū)體，通過冷凍干燥和熱亞胺化處理，制備了一種質(zhì)輕、彈性優(yōu)異、超疏水的氣凝膠。該氣凝膠在用于油水分離時，展現(xiàn)出極好的吸附性能，可在5 ~ 20 s內(nèi)實現(xiàn)對多種油和有機(jī)溶劑的飽和吸附，吸附容量達(dá)到25.1 ~ 71.0 g/g。復(fù)合氣凝膠可在重力驅(qū)動下持續(xù)分離氯仿/水混合物，分離通量高達(dá)4.5×104 L m-2 h-1，分離效率為98.3%。此外，該氣凝膠可以分離水包油乳液（水/甲苯），分離效率可達(dá)99.5%。由于具有優(yōu)異的可壓縮性，吸附后的氣凝膠可通過壓縮排除吸附物，并用于下一個吸附循環(huán)。該工作發(fā)表在中科院一區(qū)期刊Separation and Purification Technology上。
論文詳情：Superhydrophobic polyimide/cattail-derived active carbon composite aerogels for effective oil/water separation, Separation and Purification Technology,2023, 308, 122994.
團(tuán)隊進(jìn)一步以生物質(zhì)廢棄物的組分腐殖酸為原料，構(gòu)筑了一種具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)框架（MOF）材料。利用腐殖酸豐富的含氧官能團(tuán)及4,4'-聯(lián)苯二甲酸（BPDC）與金屬中心原子強(qiáng)的配位作用，促進(jìn)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成，從而提高電極材料的對體積膨脹/收縮的耐受性，并獲得優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。該材料在用作鋰離子電池的負(fù)極時，表現(xiàn)出極好倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性，在5 A g-1和10 A g-1的超高電流密度下經(jīng)1000次循環(huán)后比容量高達(dá)315和242 mAh g-1(對應(yīng)于84%和80%的高容量保持率)，高于目前所報道的大多數(shù)基于MOF的電極材料。該工作發(fā)表于電化學(xué)領(lǐng)域知名期刊Electrochimica Acta上。
論文詳情：Humic acid-based interlocked MOF: Enabling stable cycling performance at ultra-high current densities for lithium-ion batteries, Electrochimica Acta,2023, 142422.
金屬有機(jī)框架（MOFs）作為一種典型的多孔材料，因具有高孔隙率和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)可調(diào)性性，被認(rèn)為是極具潛力的催化材料。然而，低的導(dǎo)電率和穩(wěn)定性極大程度限制了其實際應(yīng)用?；诖耍瑘F(tuán)隊利用MOF中心原子的表面電摻雜效應(yīng)，誘導(dǎo)1T相MoS2的形成，從而制備了負(fù)載于雙金屬MOF上、具有三維花狀結(jié)構(gòu)且富含缺陷的雙功能電催化劑（MoS2@Fe/Ni-MOF600）。在用于堿性條件下電催化分解水時，該電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能催化活性和循環(huán)穩(wěn)定性。其中，析氫和析氧的過電位分別為140和340 mV。論文詳細(xì)研究了Fe/Ni-MOF600的投料量對催化劑的結(jié)構(gòu)及性能的影響。該成果發(fā)表在在中科院一區(qū)期刊Fuel上。
論文詳情：Fe/Ni bi-metallic organic framework supported 1T/2H MoS2 heterostructures as efficient bifunctional electrocatalysts for hydrogen and oxygen evolution, Fuel, 2023, 339, 127395.
此外，團(tuán)隊通過在導(dǎo)電聚合物中引入一維和/或二維納米材料，實現(xiàn)了聚合物三維孔隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，所制備的導(dǎo)電聚合物/納米功能材料復(fù)合物，在用作超級電容器電極材料時，表現(xiàn)出極好電化學(xué)性能，相關(guān)工作前期發(fā)表于Applied Surface Science, 2022, 593, 153457 (IF：7.392)，Journal of Energy Storage, 2021, 40, 102695 (IF：8.907)。 在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊近期開發(fā)了一種通過二維層狀范德華異質(zhì)結(jié)（G-LS/WS2-LS）提高聚苯胺（PANI）電化學(xué)性能的方法。得益于石墨烯良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及WS2的高氧化還原活性，所制備的三元納米復(fù)合電極PANI/G-LS/WS2-LS與PANI相比，超級電容性能得到顯著增強(qiáng)。相關(guān)成果發(fā)表在Energy & Fuels上。
論文詳情：Heterolayered 2D Nanohybrids of Graphene-WS2 Nanosheets: Enabling Enhanced Supercapacitive Performance of Polyaniline, Energy & Fuel,2023, 37, 6266.
劉剛教授課題組自2017年組建以來，一直聚焦新能源材料與器件（如超級電容器、鋰離子電池、電催化）、污水處理、碳納米材料等領(lǐng)域的研究。近兩年（2021年至今），課題組以武漢工程大學(xué)為第一單位在Separation and Purification Technology，Journal of Energy Storage，Fuel，Electrochimica Acta，Applied Surface Science等期刊發(fā)表了研究論文12篇，其中影響因子大于7的論文8篇。
在研究生培養(yǎng)方面，課題組取得了較為突出的成果：已培養(yǎng)7名碩士研究生獲得碩士學(xué)位并以第一作者發(fā)表了高水平SCI研究論文，其中4人的論文獲校優(yōu)秀碩士學(xué)位論文；1人獲國家獎學(xué)金，多人獲優(yōu)秀研究生稱號。
歡迎廣大學(xué)子加入本課題組攻讀博士或碩士學(xué)位。課題組負(fù)責(zé)人劉剛教授郵箱：lg8312@163.com。
(審稿人：王濤)
