① 课题来源与背景； 本项目来源于黑龙江大学自拟项目，同时得到国家自然科学基金重点项目（No. 21031001）、培育项目（No. 708029）的支持。针对晶态纳米碳制备方法中存在的目标产物产率低、形貌不易调控、制备步骤复杂等问题，黑龙江大学付宏刚研究团队自2006年开始研究，发展了基于基团相互作用原理的软化学路线制备碳材料并对其形貌进行调控。进一步研究发现，玉米秸秆、椰壳中不仅含有对形成片层有利的纤维素，而且还含有对于形成薄片石墨烯材料不利的半纤维素和木质素等。因此，想要由生物质出发制备石墨烯材料，就必须从生物质中提取高纯的纤维素。 济南圣泉集团股份有限公司在生物质的深加工方面走在世界前列，在玉米芯的开发、研制和综合利用方面走出了一条成功的道路。现在企业面临的难题是玉米芯生产糠醛、木糖、木质素系列产品产生的纤维素废渣的高附加值利用。玉米芯废渣的成分主要是纤维素，基于我们的石墨烯制备方法，开发利用从玉米芯中提取的纤维素为原料制备石墨烯的工艺。 ② 研究目的与意义； 生物质被认为是地球上最丰富的、含碳量较高的可再生资源。利用椰壳、玉米秸秆等制备活性炭的产品较多，但是关于利用生物质纤维素原料制备石墨烯材料的研究相对报道较少。在我国，生物质中仅玉米芯的年产量就高达1亿吨，大部分集中于东北三省、山东省、河北省，被认为是可以用来生产新型炭材料的原料。玉米芯的主要成分为纤维素、半纤维素、木质素等物质，这些物质中含有丰富的羟基、羰基等极性基团。由于这些特征可以使其与各种金属离子配位，可以用于合成碳材料。因此，玉米芯可能会被用作制备功能性碳材料的有效碳源。本项目的目的是以玉米芯中含有极性基团的纤维素为碳源，基于基团相互作用原理，发展低成本、污染少、宏量制备石墨烯材料的方法。 ③ 主要论点与论据； 目前包括欧盟、美国、日本、韩国等发达国家和地区纷纷投入巨资将石墨烯的研究提升到战略高度。虽然我国关于石墨烯的研究起步较晚，但是在创新驱动和政策引导下，我国石墨烯的研究迅速发展，出现了一批基于不同原料和制备方法得到的石墨烯新材料以及其初步应用产品，如石墨烯改性重防腐涂料、石墨烯改性超级电容器和锂离子电池、基于石墨烯的健身辅疗功能纺织品、安全电压高效发热器件等。 石墨烯材料的宏量制备是保证其大规模应用的前提，因此石墨烯制备方法的研发受到高度重视。目前，合成石墨烯的方法主要有物理法（CVD法、剥离法）和化学法（还原氧化石墨法）这两种方法。CVD生产的石墨烯，适合于做电子器件，但是通常需要苛刻的反应条件、昂贵的设备、较长的周期、较低的产率，不适合于大规模应用；剥离法是多级串联体系，能耗大、成本高，难以工业化生产。化学法所需强氧化剂（浓硫酸、高锰酸钾等）的用量为石墨原料的几十倍，导致环境污染严重。生产成本太高，从而大大限制了其产业化应用。为解决石墨烯成本高、产量低、工艺复杂、环境污染严重等问题，有必要发展成本低、产量大、生产工艺简单、污染少的制备方法。 ④ 创见与创新； （1）发展了以玉米芯纤维素为原料"基团配位组装析碳法"制备生物质石墨烯材料的低成本、无污染的新方法。突破了传统只能依靠石墨矿物质宏量制备石墨烯的现状，具有突出的科研及工业意义和广阔的应用前景。 （2）首次实现了生物质石墨烯的成果转化，建立了世界上首条生物质石墨烯材料的宏量制备生产线。在应用方面，首创将生物质石墨烯材料应用于多种纤维复合并成功实现均匀分散，研发了防紫外线和抗静电的功能的石墨烯功能服饰，拓展了石墨烯的应用领域。 ⑤ 社会经济效益，存在的问题； 社会经济效益：以可再生的玉米芯纤维素为原料，通过基团配位组装析碳法制备的石墨烯成功实现了生物质石墨烯材料的宏量化制备，具有成本低、污染小等优点。并实现了生物质纤维素的高附加值应用，以年产100吨生物质石墨烯为例其可以实现产值3~5亿元。生物质石墨烯内暖纤维的市场化开发，不仅实现了生物质石墨烯的产业化、商业化应用，而且赋予了纤维新的功能，提高了纤维的品质和竞争力。该项目大大推动我省及我国植物秸秆高值化利用水平，可减少秸秆焚烧带来的资源浪费和环境污染，提高大气污染治理水平，减少雾霾天气发生和二氧化碳排放，经济、社会和环境效益显著。 存在的问题：尽管在项目组成员的共同努力下，完成了本项目计划的研究内容，实现了预期目标。突破了传统只能依靠石墨矿物质宏量制备石墨烯的现状，具有突出的科研及工业意义和广阔的应用前景。但是在利用其它多种生物质制备石墨烯材料工艺的研发还没有完善，这是进一步降低石墨烯制备成本的必经之路。另外，生物质石墨烯材料的应用还有待于进一步拓展，这主要是我们对生物质石墨烯材料的认识还不够深入，无法开括更多的应用领域。在后续的研究工作中将系统解决这些问题。

黑龙江大学

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