专著背景简介

当今社会中，高分子材料，例如塑料、橡胶和合成纤维等，被广泛应用于众多领域，随处可见。据统计，2021年我国塑料制品产量高达8000万吨，产量和消费量均居世界第一。巨量的高分子材料生产与消费，既消耗了大量化石资源，又因弃用后的不当处置给环境造成了压力甚至危害（例如，“白色污染”）。如何对弃用高分子材料实现高值化回收再利用，减少焚烧和泄漏到环境中的负面影响，降低生产高分子材料的化石资源消耗及其整个生命周期中产生的碳排放，将助力实现“碳中和”，已成为全球广泛关注的焦点。

根据聚合物转变成碳材料的产率，一般将聚合物分为成炭聚合物和非成炭聚合物。开展聚合物碳化反应的研究在以下三方面具有重要意义：第一，为弃用高分子材料的回收再利用提供新方法，促进节能减排与可持续发展；第二，为制备高性能碳材料（例如，富勒烯、碳纳米管、石墨烯等）提供新途径，并促进在能源存储与转换、环境修复等领域的应用；第三，在提高聚合物阻燃性能和高技术领域（例如航天体外壳保护）的方面具有重要的应用价值。

专著内容简介

中国科学院长春应用化学研究所从2003年就开展了聚合物碳化反应基础研究及其应用研究的工作。本书是基于作者团队近20年创新研究成果的总结，同时汇集了国际最新相关研究进展。本书由唐涛、龚江、宋荣君负责策划、拟定思路和撰稿，共分八个章节。

第1章是绪论。

第2章总结了典型的聚合物碳化反应实施方法，例如：高温分解碳化法、水热碳化法、组合催化碳化法、裂解/化学气相沉积碳化法、预交联/高温碳化法等，论述每种碳化方法原理与适用范围，阐述碳化过程中降解反应和碳化反应的协同机理，以及碳材料的织态结构和表面化学结构的调节机制。

第3章介绍了利用聚合物碳化反应制备不同维数的碳材料，包括零维的碳纳米点、碳球、富勒烯等，一维的碳纳米纤维、碳纳米管、杯叠碳纳米管等，二维的石墨烯和碳纳米薄片，以及三维的碳分子筛膜、碳泡沫和碳/碳复合材料等；我们以碳材料的结构和形貌调控为切入点，着重介绍控制聚合物的碳化反应来精确调控碳材料生长的机制。

第4章介绍了催化聚合物成碳阻燃的研究进展，也即是通过添加纳米粒子催化聚合物的碳化反应从而原位构筑致密、均匀、连续的炭保护层，实现高分子材料阻燃的目的。

在第5章到第7章中，介绍聚合物基碳材料在超级电容器、锂离子电池和吸附与分离中的应用，阐述碳材料结构形貌与相关性能的关系。

第8章为总结与展望。

本书适合于从事聚合物降解与回收、聚合物改性与阻燃、碳材料制备与应用领域的科研人员阅读，也可作为高校相关专业教师教学与学生学习的参考书。

本书是全面介绍国内外有关聚合物碳化反应及其应用的第一部专著。尽管我们已付出最大努力，但限于水平和经验有限，书中难免有疏漏或不妥之处，敬请广大读者批评指正。

作者致谢

本书在撰写过程中得到了“高性能高分子材料丛书”总主编蹇锡高院士及编委会专家的大力支持，在组织和编写过程中得到了科学出版社责任编辑翁靖一女士的大力帮助，在出版过程中得到了科学出版社的相关领导与编辑的大力支持与帮助，在此深表感谢！衷心感谢高分子领域同行和朋友们长期的关心、鼓励与支持，感谢中国科学院长春应用化学研究所多年来为作者团队提供的优越工作条件与大力支持，感谢曾经和目前在作者团队中工作与学习的所有老师和研究生的辛勤付出与努力！衷心感谢国家自然科学基金委多年来以不同项目形式对作者团队的大力支持与资助。感谢科技部863计划项目、中国科学院“百人计划”项目、吉林省科技厅、湖北省“百人计划”项目、华中科技大学人才引进基金的支持与资助。最后，衷心感谢国家科学技术学术著作出版基金的资助。

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作者简介

唐涛 博士，中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师、所学术委员会常委。1985年在大连理工大学（原大连工学院）获工学学士学位，1988年在华东理工大学（原华东化工学院）获工学硕士学位，1991年在中国科学院长春应用化学研究所获得理学博士学位。1992年至今，在中国科学院长春应用化学研究所工作；其间，1996年~1997年在英国拉夫堡大学访问研究。先后获得中国化学会青年化学奖、中国科学院自然科学二等奖、国务院政府特贴，2005年获得国家自然科学杰出青年基金资助。

主要从事聚合物多相材料的可控制备及其应用研究，包括聚合物发泡材料、聚合物碳化反应及其在阻燃与可控回收再利用的应用、聚合物纳米复合材料、支化/接枝聚合物设计与合成。提出了聚合物纳米复合体系结构调控新方法，建立了聚合物共混物界面张力、分散相尺寸与增容剂浓度的真实定量关系，被国外学者称为“Tang-Huang”方程。在聚合物熔体行为与发泡加工调控方面，发明了有效调控聚合物发泡行为与泡孔结构的方法，三项发泡技术实现产业化，产品应用于风电、核电及汽车领域。发明了组合催化促进聚合物碳化方法，实现非成炭聚合物高效碳化生成碳纳米材料，为废旧聚合物高值化回收再利用、提高聚合物阻燃性能提供了新思路。发表论文350余篇，合作出版专著4个章节，授权发明专利70余件。担任中国复合材料学会微纳米复合材料专业委员会副主任、SAMPE中国大陆总会聚合物发泡材料与多孔材料专业委员会副主任，“Composites Science and Technology”、“Journal of Cellular Plastics”、“中国塑料”等期刊编委。

龚江 博士，华中科技大学化学与化工学院研究员、博士生导师。2010年本科毕业于四川大学高分子科学与工程学院。2015年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，导师: 唐涛研究员。2015~2017年在德国马克斯-普朗克胶体界面研究所做博士后研究，合作导师: Markus Antonietti教授和袁家寅教授。2017~2018年在美国得克萨斯州大学圣安东尼奥分校做博士后研究，合作导师: 陈邦林教授。2018年10月加入华中科技大学。研究方向: (1)废旧塑料可控降解-碳化制备单体、碳材料和金属-有机框架 (MOF)材料，提出球磨法实现废弃PET规模制备MOF (30吨/年)，采用可控碳化策略实现废弃聚烯烃制备碳管(10吨/年)；(2)太阳能界面光热转换及其与热电转换、光催化降解和水蒸发发电等技术的集成应用。

累计在Progress in Polymer Science和Advanced Materials等国际期刊发表SCI论文147篇，其中第一/通讯作者79篇，H因子为47，被引用超过6300次，12篇论文被选为ESI高被引论文，4篇论文被选为ESI热点论文。获得15项授权的中国发明专利，另申请21项专利。入选斯坦福大学2023年度全球前2%顶尖科学家榜单。获国际纯粹和应用化学联合协会(IUPAC)颁发的江教授新材料青年奖、湖北省海外高层次人才计划等荣誉奖励。主持国家自然科学基金和企业合作项目等15项。担任能量转换与存储材料化学教育部重点实验室秘书、EcoEnergy期刊客座编辑，担任SusMat (中科院1区top期刊，影响因子27.8)、Carbon Energy (中科院1区top期刊，影响因子20.5)、Journal of Materials Science & Technology (中科院1区top期刊，影响因子10.9)、Rare Metals (中科院1区top期刊，影响因子8.8)、Tungsten (影响因子6.6)、eScience、Nano Research Energy、Exploration、Energy Materials和Green Carbon等11个期刊的青年编委，担任Chemical Society Reviews和Advanced Materials等136个国际期刊的审稿人。指导学生获得第二届“创青春”中国青年碳中和创新创业大赛华中金奖、全国银奖，国家奖学金(2次)，湖北省大学生化学(化工)学术创新成果报告一等奖(4项)等荣誉奖励。指导学生获批国家级大学生创新训练项目(3项)。

宋荣君 博士，东北林业大学副教授、硕士生导师。1999年在抚顺石油学院获理学学士学位，2004年在辽宁石油化工大学获理学硕士学位，2007年在东北大学/中科院长春应化所材料物理与化学专业获工学博士学位。2007年–现在，在东北林业大学工作。其间，2014年~2015年在澳大利亚联邦科工组织材料科学与工程部墨尔本分部访问研究。长期从事聚合物碳化与阻燃，其中重点从事废旧塑料碳化制备碳纳米材料的研究。

取得的研究成果：（1）发现了固体酸与镍基化合物的组合催化碳化体系，有效扩大了组合催化体系的应用范围，为废旧聚合物高值化回收再利用提供新策略；（2）利用组合催化剂原位碳化聚合物合成C-C和C-Si基复合材料，并成功应用于锂离子电池方面；（3）利用模板法碳化聚合物制备分级多孔炭，并成功应用到超级电容器电极上。2015年获黑龙江省自然科学一等奖1项。以第1作者或通讯作者在Chemistry-A European Journal、Macromolecular Rapid Communications、Microporous and Mesoporous Material和Industrial & Engineering Chemistry Research等杂志发表论文30余篇，出版教材1部，授权发明专利5件。