微生物燃料电池MFCs是利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，可以应用于污水处理行业，在废水净化的同时实现能量回收，具有操作条件温和，清洁高效，可循环利用等优点。但目前，输出功率低，制作成本高是制约其实际应用的瓶颈。因此，提高阴极对氧还原反应ORR的电化学活性和降低阴极催化剂的制备成本是MFCs的研究重点之一。本项目计划制备石墨烯基纳米多孔粒子复合材料，拟结合石墨烯大比表面积，高导电性和好的生物相容性等特点以及纳米多孔材料表面活性位点密度高和选择性高等的优点提高其对ORR的催化活性，同时利用金属间和金属与石墨烯间的协同效应，通过对金属物种的选择和金属间比例的调节制备低铂或非铂的石墨烯基纳米多孔粒子复合材料应用于微生物燃料电池，解决铂价格昂贵且易中毒失效等问题。

微生物燃料电池MFC是一种能在处理污水的同时实现能量回收的新型能源技术，其中，空气阴极MFC被认为是在污水处理领域最具前景的构型，因氧气可以持续供给，成本低，且具有较高的氧化还原电位，因此是理想的电子受体。然而，没有催化剂的条件下氧还原反应ORR速率缓慢导致空气阴极MFC性能很差。Pt/C催化剂被认为是迄今为止催化ORR速率最快，且过电位最低的催化剂，但由于价格昂贵，且活性位点易被毒化而限制了它的应用，因此，开发高活性且价格低廉的ORR催化剂势在必行。目前，研究人员开发了各种成本较低而活性较高且稳定性较好的催化剂，比如碳基材料、过渡金属大环化合物、非贵金属氧化物等来代替铂催化剂。尽管如此，开发可以替代最好的铂的更高活性和稳定性的催化剂仍具挑战性。在各种非贵金属催化剂中，非贵金属/N/C材料由于其较高的ORR催化活性和稳定性有望代替铂催化剂。金属有机框架MOFs材料因具有结构规整，孔径及金属可调，比表面积高等优点而得到广泛应用，本项目合成了多面体的铁锌双金属有机框架材料，并在不同温度下碳化制备得到Fe/N/C材料，锌沸点低易碳化除去，因此可在碳化过程中形成多孔结构有利于氧气的扩散以及增加氧还原活性位点，同时，内部少量未碳化脱除掉的锌有利于提高材料的导电性。同时，本项目还合成了铁基单金属MOFs，同样高温碳化制备了Fe/N/C材料作为对照。结果表明，铁锌双金属有机框架材料在不同碳化温度下的产物，分别记为Fe-Zn-700，Fe-Zn-800，Fe-Zn-900，其比表面积分别为535.9 m2/g，544.8 m2/g，529.4 m2/g，均高于单金属铁基MOFs的碳化产物Fe-800（409.4 m2/g）。上述四种材料催化ORR均经过四电子过程，n为3.54-3.99，应用于空气阴极微生物燃料电池，起始电位和限制电流密度均高于Pt/C，输出电压Fe-Zn-800明显高于Pt/C，Fe-Zn-900与Pt/C相当，Fe-Zn-700略低，而Fe-800最差，只有300 mV左右。电池的最大输出功率密度Fe-Zn-800为750 mW/m2，比 Pt/C（580 mW/m2）高29%，Fe-800（210 mW/m2）的3.6倍。上述结果证明，本项目合成的Fe-Zn-800可以代替Pt/C有望应用于实际的微生物燃料电池领域。

石墨类碳材料是目前应用最为广泛的锂离子电池负极材料，但其较低的理论比容量限制了高能锂离子电池的发展。高容量非碳负极材料可以极大地提高锂离子电池的能量密度，但其较差的循环性能限制了其应用。石墨烯是新发现的具有高导电性、高比表面积、良好柔韧性等优点的二维纳米碳材料，将纳米化的非碳负极材料与石墨烯复合有望得到高性能负极材料。本项目拟结合水热碳包覆和水热自组装制备三维石墨烯基纳米复合材料，探索石墨烯基纳米复合材料制备新方法。通过优化石墨烯基纳米复合材料的结构，改善其储锂性能。项目将围绕高性能石墨烯基负极材料设计、制备过程中的基础科学问题开展工作，探讨三维石墨烯基纳米复合材料形成机理，揭示石墨烯基纳米复合材料化学组成及结构形貌对其储锂性能的影响规律。研究结果将为锂离子电池用高性能石墨烯基负极材料的设计与制备提供理论依据，对于提高锂离子电池的能量密度具有重要意义。

石墨类碳材料是目前应用最为广泛的锂离子电池负极材料，但其较低的理论比容量限制了高能锂离子电池的发展。高容量非碳负极材料可以极大地提高锂离子电池的能量密度，但其较差的循环性能限制了其应用。石墨烯是新发现的具有高导电性、高比表面积、良好柔韧性等优点的二维纳米碳材料，将纳米化的非碳负极材料与石墨烯复合有望得到高性能负极材料。本项目结合水热碳包覆和水热自组装制备了三维石墨烯基纳米复合材料形成，阐明了三维石墨烯基纳米复合材料形成机理——非碳纳米颗粒在水热条件下先包覆上一层含有羟基等含氧官能团的有机物，非碳纳米颗粒包覆层上的羟基等含氧官能团与氧化石墨烯上的羧基等含氧官能团在一定的条件下发生脱水反应交联起来形成了具有三维网络结构的石墨烯基纳米复合材料，开发了一种三维石墨烯基纳米复合材料制备方法。研究了影响石墨烯基纳米材料结构形貌的影响因素及影响机制，阐明了石墨烯基材料的储锂性能与其化学组成及结构形貌的关系——通过在非碳纳米颗粒表面包覆一层碳可以抑制电解液分解等副反应的发生，因而可以提高材料的循环性能；通过将石墨烯交联形成多孔的三维网络结构，有利于提高材料的离子和电子传导性能，从而可以提高材料的比容量和倍率性能，得到了比容量高、循环的性能优异的石墨烯基纳米复合材料——制备出的石墨烯基负极材料的储锂容量高达1115 mAh g-1 ，恒流充放电循环100次，其比容量几乎没有衰减。本项目的研究结果为锂离子电池用高性能石墨烯基负极材料的设计与制备提供理论依据，对于提高锂离子电池的能量密度具有重要意义。

《高性能耐磨铜基复合材料的制备与性能研究》由王德宝、吴玉程著。通过SEM、XRD、TEM和其他实验检测仪器对粉末的机械合金化过程，复合材料的微观组织特征以及机械、物理和摩擦磨损性能进行了系统研究，为拓展新型高性能铜基复合材料的应用领域打下坚实的基础。