21世纪以来,随着高性能碳纤维、碳纳米管、富勒烯和石墨烯材料的优异性能逐渐被人们所认识,碳元素所主导的新兴材料体系正在显示出自身更大的发展潜力和更加富有挑战性的工业影响力。在此背景下,课题组重点开展了碳基生物医用材料、石墨烯及其功能化衍生物两方面的研究工作。主要代表性的研究成果如下。

(1)碳/碳复合材料的生物功能化修饰技术

    碳/碳复合材料(C/C)具有优良的硬组织相容性。但临床应用中,其生物惰性特征易引发材料表面骨整合缺陷与细菌感染,损害长期愈后效果。课题组在优化设计C/C生物力学性能的基础上,采用等离子体喷涂、SBF仿生活化和官能团偶联接枝技术等,在C/C表面制备了多种类型的生物活性薄膜和涂层,以降低细菌对材料的粘附能力,提高碱式磷酸酶活性,促进骨缺损组织改建,旨在开发兼有C/C固有的生物力学相容性和优异骨整合性能的新型人工骨材料,为该材料在骨科领域的应用,奠定坚实的技术和理论基础。该方向已完成国家自然科学基金1项。目前正在承担国家自然科学基金1项、及青岛市应用基础研究计划项目1项。在《Journal of Biomedical Materials Research Part A》(中科院二区)、《Surface & Coating Technology》(中科院二区TOP期刊)、《New Carbon Materials》、《RSC Advances》(中科院二区)、《上海交通大学学报(英文版)》、《复合材料学报》、《新型炭材料》、《材料工程》等国内外具有较高影响力期刊发表论文20余篇。

 

2)石墨烯及其衍生物

石墨烯由于其显著的特性,在未来可广泛应用于工程机械、医药、电子和计算机应用等方面。2012年起,课题组基于与法国国家科学研究中心交叉学科研究院Rabah Boukherroub课题组的合作关系,采用氧化剥离石墨法制备石墨烯氧化物(GO),并针对其油水分离、超级电容器电极、燃料电池材料的不同应用要求,开展了基于GO二维纳米片层表面丰富的官能团结构和高分散性的功能化修饰研究,开发了以聚氨酯负载氟化GO超疏水海绵、GO/纳米金刚石磺化超级电容器电极、多巴胺原位还原GO/壳聚糖气凝胶等一系列石墨烯衍生物及其复合材料。目前承担中国石油大学(华东)自主创新项目1项。在《Chemical Engineering Journal》(中科院一区TOP期刊)、《Journal of Nanomaterials》等期刊发表论文多篇。典型成果如下。

受海洋贻贝足丝蛋白在固体表面具有强粘附性的启示,基于Hummers法宏量制备石墨烯氧化物(GO)、原位自聚合和共价接枝技术,发展了一种将低表面能分子结构构筑至GO表面特定基团位点的新方法。并以高分子海绵、金属筛网等多孔亲水材料为基体,利用静电吸附和PDA在固体表面特有的高粘附性,开展了具有超疏水性能的rGO-fPDA增强多孔复合材料的研制。旨在开发一种兼具高效吸附选择性和长寿命的新型石墨烯基油水分离材料,为其在环境治理和油料净化领域中的推广应用提供科学依据和理论支撑。

超级电容器也称为电化学电容器,是一种由电极、电解液、隔离层构成的电能存储装置。超级电容器由于使用寿命更长、耗能少、环境污染小、用途广泛等优势引起了各国科学家的普遍关注。而电极材料作为超级电容器性能影响的关键因素受到科研学者的广泛研究,石墨烯材料由于理论比表面积大、电子导通性能好、电化学性能稳定等优势在超级电容器新电极材料中崭露头脚。而利用化学氧化还原法制备的石墨烯由于受到 Van der Waals 力作用团聚现象严重,限制电荷传输速度影响其电容性能。因此,本课题组通过改变反应方法、反应条件获得不同形貌石墨烯材料,选择具有高分散性的GO与具有赝电容效应的过渡族氧化物、具有高电化学活性的纳米金刚石复合,并原位实现对GO的有效还原,开发了多种新型石墨烯基超级电容器电极材料。为后续深入研究给出一定的理论试验基础

 

 

 

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能不经燃烧直接转化为电能的发电装置。因此燃料电池被认为是21世纪最具发展前景的新型发电技术。针对目前有好的发展前景的高温质子膜燃料电池,其质子膜的选材尤为重要。质子交换膜是只允许质子通过,其它离子和分子均不能通过的一种高分子固态电解质材料,它主要用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)。质子交换膜作为PEMFC的核心元件,其性能对PEMFC的使用性能、寿命、成本等有决定性的影响,它起着分割阴、阳极室和传导质子的双重作用。本课题组采用磺化石墨烯掺杂以多聚物为基体形成复合材料质子膜,选用一些性能较好的磺化剂。以求获得高质子电导率、高离子交换容量、优良力学性能的质子交换膜。

 

 

 

 

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