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原子级分散金属催化材料以其独特原子结构、高效催化性能引起了广泛关注和研究，但其高效、低成本、宏量可控制备仍具较大挑战。本项目以金属催化组分原子化技术的研发及电/热驱动含能小分子的催化转化应用为研究主线，基于甲酰胺丰富的液相反应特性，引入活性有机分子、氧化物界面等辅助组分，实现原子级分散的金属组分，包括单/双原子及至团簇级寡原子在形貌受控的甲酰胺衍生氮碳材料中的普适性、高载量分散；通过在金属-氮配位结构近邻可控引入杂元素、碳缺陷、氧/硫界面等，实现金属原子/团簇微环境的调控、电子能级结构的优化及催化性能的提升；利用甲酰胺衍生氮碳可在多种廉价碳材料、氧化物基底上实现薄层均匀负载的特性，实现高性能原子级分散金属催化剂的宏量制备及器件化试制。通过本项目的实施，有望实现高性能、低成本的原子级分散金属催化材料的普适性、宏量可控制备，推进部分催化应用的实用化进程。

项目成员

张国新

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碳材料以其低廉成本、来源广泛、转化路径丰富等优势已在能量的转化及存储等领域展现出重要价值。高温条件下有机分子脱官能团是制备碳材料的常用策略，但常常造成能耗高、有害废气多，孔结构塌陷等问题。申请人针对上述局限，拟发展基于低温碱性脱卤反应制备碳材料的新方法。利用强碱条件下的快速脱卤，实现纳米碳材料的室温高效制备；利用脱卤反应过程中产生的高活性中间体，实现硫、氮和金属等多元素掺杂与复合；通过选择碱性物种的种类和尺寸，设计不同的反应途径和条件，实现纳米碳材料孔结构及形貌的调控；通过多组分掺杂和后处理方式的优化，获得一系列具有优异性能的碳基电极材料。利用有机脱卤策略，实现废旧聚氯乙烯塑料的清洁、高效、无污染处理及转化为高品质碳材料。上述研究成果将不仅丰富碳材料合成方法，也将发展出含卤素高分子材料（如聚氯乙烯塑料）废料的清洁、高效、廉价的处理手段，将其转化为高品质碳电极材料。

项目成员

张国新

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碳材料以成本低廉、来源广泛、转化路径丰富等优势，在包括能量转化及存储方面等多个领域展现出重要价值。有机碳源经高温热处理是制备碳材料的常用策略，但存在能耗高、有害废气多、孔结构易塌陷等问题。申请人针对上述局限，基于前期脱卤反应清洁高效制备碳材料的工作，拟发展低温脱卤反应制备碳材料的新方法、新体系及新应用。具体包括：1）利用快速脱卤过程中产生的高活性碳中间体，实现多组分复杂掺杂碳材料的高效清洁制备；2）通过碱性物种种类和尺寸的选择，设计新反应途径，实现碳材料孔结构及形貌的调控；3）通过多组分掺杂、孔结构和形貌的优化调控，获得一系列具有优异性能的碳基电化学储能材料；4）最后将有机脱卤策略拓展应用到废旧聚氯乙烯塑料的清洁、高效、无污染处理，同时实现其向高品质碳材料的转化。上述研究成果将大大丰富碳材料合成方法和手段，为电化学储能领域提供多种高性能电极材料，进一步推进碳材料在实际储能中的应用。

项目成员

张国新

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碳材料以其低廉成本、来源广泛、转化路径丰富等优势已在能量的转化及存储等领域展现出极高的应用价值。有机碳源脱官能团是目前制备碳材料的常用策略，但高温焙烧等苛刻条件是必经之路，直接造成大量有害废气产生，同时导致孔结构及形貌的精细调控难以实现。申请人针对传统碳材料合成过程中高能耗、多步操作等局限性，拟发展基于有机脱卤反应碳材料的制备新方法，实现多元碳材料的室温快速高效制备。 通过开发碳材料的多元素掺杂，评价不同掺杂元素组合的电催化协同效应，获得一系列具有优秀电化学催化性能的廉价碳材料；通过探究不同碱物种产生的脱卤效果及对产品孔结构的调控作用，实现电催化及储能应用的进一步提升； 利用卤化分子脱官能团必须有碱存在的特性， 对碳材料产品的特定维度上的厚度进行精确控制，实现碳电极材料的高效利用。该研究不仅将丰富碳材料合成领域，而且因所利用的合成策略清洁、环保、高效，更将进一推进碳材料实际中的应用。

项目成员

张国新

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金属-空气电池以其低成本、安全环保、能量密度高等优势在电动汽车、便携式电源等领域有广阔应用前景。然而其阴极空气电极处缓慢的催化反应动力学和界面传质是制约金属空气电池商业化的主要因素。针对上述局限，申请人拟从双功能催化活性位的设计、多级结构的构筑和空气电极的界面优化三个角度出发，基于高分散过渡金属氮碳材料，设计制备具有优异本征活性的氧气还原/析出双功能催化位点；构筑基于片状金属氮碳材料的三维结构组装体，实现片层厚度和组装体尺寸的调控；基于上述材料组装空气电极，通过浸润性、堆积密度等方面的合理优化，获得金属-空气电池性能的大幅提升。上述研究成果将不仅为具有多级结构的双功能过渡金属氮碳催化材料提供高效制备方法和调控策略，也将推进其在金属空气电池等储能和转化技术的实用化进程。

项目成员

张国新

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碳材料以成本低廉、来源广泛、转化路径丰富等优势，在能量转化及存储方面等领域展现出重要价值。申请人前期工作证明：有机卤化碳源低温下经强碱作用可获得高质量、组分可调的碳材料，该策略具有制备能耗低、过程绿色高效等优势。申请人拟基于此策略开发锂、铝电池用电极材料，具体包括：1）通过调控掺杂组分的种类和含量，研究多组分碳材料锚定电极活性物质（如硫）的效果，实现高容量、高游移性电极物质与碳材料的有效复合，大幅提高其循环性能；2）通过碱性物质的甄选，设计新反应途径，实现碳材料在孔结构及形貌的调控，研究其结构、形貌对电极反应动力学的影响；3）利用脱卤反应的限域效应，即脱卤碳化过程需碱物质与碳源的有效接触，实现活性物质薄层碳包覆，探究其在倍率特性、容量保持、高效循环等方面的有益影响。如实现上述研究成果，将丰富碳基电极材料的合成方法，为电池储能领域提供多种高性能材料，进一步推进碳材料在电池储能中的应用。

项目成员

张国新

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本项目针对非对称电容器在水系电解液体系中能量密度低和功率密度损失严重两大关键问题展开研究。主要围绕以下四方面开展基础及应用研究：首先，发展控制微孔孔道长度的技术手段，并筛选出具有合适孔道长度的微孔炭负极材料；其次，探究微孔孔道长度与充放电过程中电解液离子传输动力学的构效关系；此外，探索控制LDH 类正极材料尺寸的关键合成条件，制备具有小尺寸的LDH 电极；最后，开发具有高分散性、小尺寸、电导率高的LDH 正极材料。以上四部分都将与电化学储能应用同步进行，最终将制备的正负电极组装成具有高能量密度、高功率密度的水系非对称电容器。

项目成员

张国新

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本创新团队研发的铝离子电池技术，由于其低成本的天然优势和可快速充放电性、长寿命、可低温工作性、高安全性等优异性能，有望成为电网储能系统最佳的解决方案，满足国家能源战略的重大需求，并对山东省新能源这一战略性新兴产业的发展起到显着带动作用。另外，铝离子电池技术在新能源汽车产业、移动电子设备产业及国防军工产业均有重要应用价值。在电动运输工具产业，铝离子电池可应用在对空间要求较低的电动巴士与轻轨电车等短距离运输系统，可充分展现其快速充电和安全性突出的优势。在移动电子设备产业，随着铝离子电池技术的突破和性能的不断提升，借助其在安全性、低成本方面的优势，有望进入移动电子设备电源的市场。在国防军工产业，由于铝离子电池具备安全性高、工作温度范围宽（低至-30℃）、工作寿命长（十年以上）等优势，有机会取代传统镍铬电池，运用于航天领域，作为各类卫星太阳能发电装置的储电系统，满足国防军工需求。

项目成员

张国新

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