分级孔碳纳米材料的可控合成、表面修饰及能量存储性能研究

以风能和太阳能为代表的新能源的发展亟待解决电的存储问题。超级电容器是一种有效的储电器件，其核心是储电材料，通常为高比表面多孔材料。高性能电容器要求储电材料不仅具有高比表面而且具有高导电性和高离子扩散速率，但常规材料很难同时满足这些要求。同时具有大孔、中孔和微孔的分级孔碳纳米结构为这一问题的解决提供了新的思路。申请者最近通过聚合物分子纳米组装技术成功合成了聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯腈的核壳纳米颗粒结构，并将之进一步碳化为具有规则大孔的分级孔碳纳米材料，初步评价发现其具有相当优异的储电性能，具有重要应用前景。本项目拟在此基础上详细考察聚合和碳化动力学过程，以调变碳颗粒尺度和孔尺度分布，探索过程参数与比表面、导电性、离子扩散性能之间的关系，系统研究结构和基本物理性质与储电性能之间的关系，探索通过后处理和表面修饰进一步提升储电性能的技术方法，为进一步的结构和性能优化的设计提供基础的实验和理论依据。

合理的设计、优化碳材料的孔结构是提高超级电容器性能的一种重要途径。本项目采用聚合物分子纳米组装技术成功设计合成了聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯腈的核壳纳米颗粒结构，并将之进一步碳化、活化为同时具有大孔、介孔和微孔的分级孔碳纳米结构材料。这种相互联通的大孔、介孔、微孔为快速的离子迁移和高电荷的存储提供了有利条件，对其电化学性能评价发现其具有良好的储电性能；通过考察聚合和碳化动力学过程，对碳颗粒尺度和孔尺度分布进行了调变；通过对材料表面进行官能团修饰、将材料与具有赝电容性质的材料进行复合，进一步提升了其储电性能。在此基础上，对碳基复合材料的电化学储能研究也取得一定进展。虽材料的合成方法及性能还有待改进和提高，但实验设计思路、研究方法将对后续开展其它电化学储能多级孔材料的设计、合成及性能参数的优化提供很好的理论借鉴意义和实际指导作用。