聚合物多级孔结构制备及其在超级电容器电极应用研究

The performance of supercapacitor is decided by the porous morphology and chemical components of the electrode. Multi-scale porous structures and nanostructures electroactive compounds/carbon composite are required for the preparation of supercapacitor electrode. The porous polymeric materials have many applications due to their easy processability, structure controllability, facile doping, functionalization and abundant micro-phase structures and so on. In the past years, several new strategies to construct hierarchical porous structures with different polymers have been developed in our group, including hyper-crosslink, supercritical fluid foaming and breath figure process. The strategies have been applied for the preparation of porous carbon, nanostructured conductive polymers and patterned carbon nanotubes, which have promising application in the design and preparation of supercapacitor electrode. In this project, we would like to obtain controlled polymers with multi-scale porous structures, starting from molecular design and synthesis. Templating from the obtained porous structures, the anticipated porous carbon and nanostructured conductive polymers are obtained, after deposition, doping and decomposition. The capacitance of the obtained conductive polymers can be further enhanced by doping or reuniting with patterning carbon tube. The symmetrical investigation of the correlation between the porous morphology, doping atoms and the device performance will facilitate the choosing of the optimum nanostructures for the device application.

电极材料的多孔形貌与化学结构决定了超级电容器的性能。基于不同原理的超级电容器都要求电极具有多级孔拓扑结构或者电活性化合物/碳纳米复合结构。聚合物多孔材料由于其方便的加工性、结构可调控性、易掺杂、易官能化和微相结构丰富等特点得到广泛应用。在过去的几年中，我们发展了超交联、超临界膨胀流体发泡和呼吸图成孔等多种新方法构建不同聚合物的多尺度孔结构。这些方法可以用于制备多孔碳、纳米导电高分子和图案化碳纳米管，在超级电容器电极材料的设计与应用上有巨大的前景。在本研究中我们拟从功能单体分子和聚合物结构设计、合成出发，通过工艺条件优化精确调控聚合物多级孔结构。以此为模板，经过化学沉积、掺杂、热解等处理，得到预期结构的多孔碳或导电高分子。进一步以掺杂、与图案化碳管复合等方法来提高其电容性。系统研究结构形貌、掺杂原子及复合结构与电化学性能之间的关系，筛选出最优结构和形貌并应用于超级电容器电极。

我们采取诸多策略：如使用新化学结构或价廉易得单体和试剂（如单体异氰酸酯、催化剂杂多酸），优化和简化制备工艺（如无模板法），发展新化学反应应用于筑孔（紫外光引发自由基聚合），逆向设计思想（以电容器性能启发多孔材料的设计和制备）等，制备了一系列具有不同化学结构功能的单体及多孔有机聚合物，为微孔有机聚合物的构筑提供诸多新思路。我们实现了聚合物的形貌和多级孔结构的调控，以此为模板策略，最终得到预期结构的有机多孔聚合物材料，并实现了较好的重现性。.以此为模板，以制备的多孔聚合物材料作为碳源，经过化学沉积、掺杂、热解等处理，得到预期结构的多孔碳或导电高分子，制备成超级电容器器件。进一步以掺杂等方法来提高其电容性。如基于富马腈基超交联微孔聚合物的碳材料（CHCPN-1）作为电极材料时，在1 mol/L的H2SO4电解质中，在电流密度为1 A/g时，CHCPN-1表现出330.0 F/g的高比电容值，大于许多已经报道过的多孔碳材料，如活性炭（~100.0 F/g）并且具有优异的循环稳定性能。系统研究了多孔材料基超级电容器中的杂原子掺杂及复合结构与电化学性能之间的关系，并进一步筛选出最优结构和形貌并应用于超级电容器电极。.本国家基金资助期间，本课题组获得了1项授权的国家发明专利，在Macromolecules，ACS Macro Letters，Chemical Engineering Journal, Green Chemistry等国际高水平期刊上发表相关论文18篇，详细地概述多种有机多孔聚合物的构筑原理和策略，并应用于各领域（如超级电容器）的发展情况。