基于甘蔗渣为原料的多级孔碳材料的制备、结构调控及电化学储能研究

Structural control of hierarchical porous carbon materials is the important development direction of carbon materials in present and future. It is of important significance to explore the synthesis methods and formation mechanism of hierarchical porous carbon materials and to realize effective regulation and control of the microstructure, porosity, surface structure of the group and properties for carbon materials and to study the relationship between carbon materials structures and performances. Based on the hierarchical structural characteristics of porous carbon, the project aims at the controllable preparation of hierarchical porous carbon materials with excellent electrochemical performances by biomass-itself template technology and green synthetic method using the rich agricultural waste bagasse as base materials and the different ash content of the biomass as structure control agent. The effect of different reaction conditions on the hierarchical structure formation, the regulation mechanism of the biomass-itself template, the control processes and the formation mechanism of the hierarchical structure, will be investigated systematically. It will also study the electrochemical performance and energy storage mechanism of the hierarchical structures, explore the relationships between the structures and properties, and further design and controlled synthesize hierarchical biomass-based porous carbon materials according to the characteristics of their electrochemical performance. This research will set up a simple preparation method for hierarchical structure porous carbon by biomass-itself template technology, will provide models and guidance for efficient development of biomass materials, and will provide significant scientific basis and technical support for their application in the field of energy storage and conversion such as supercapacitors.

多级孔碳的结构调控是当前碳材料重要的发展方向。探索多级孔碳的合成方法与调控机制，实现对其微结构、孔隙、表面基团结构及性能的有效调控，对深入研究材料结构与性能的关系具有重要的意义。本项目在前期工作基础上，提出基于多级孔碳结构特征，以丰富的农业废弃生物质资源甘蔗渣为基材，不同灰分含量生物质为结构调控剂，应用生物质自身模板技术和绿色合成方法制备结构可控和性能优异的生物质基多级孔碳材料。研究反应条件对多级孔结构形成的影响和作用，研究利用自身模板调控多级结构的作用机理，揭示多级结构的调控过程与形成机理；研究多级结构的电化学性能和储能机制，探讨结构与性能之间的构效关系，进而根据电化学性能特点设计合成生物质基孔碳材料的多级结构。本项目的研究将开辟在利用生物质废弃物自身模板法制备孔碳多级结构的简便方法，为生物质的高效开发利用提供模型和指导，为其在超级电容器等能量存储领域的应用提供科学依据和技术支撑。

以生物质为碳源制备孔碳材料及其在储能器件的应用是当前能源领域研究的热点，而提高生物质孔碳材料性能的关键在于如何构建具有合适比表面积和孔结构的碳材料。探索生物质孔碳的合成方法与调控机制，实现对其微结构、孔隙、表面基团结构及性能的有效调控，对深入研究材料结构与性能的关系具有重要的意义。.项目主要研究内容是以农业废弃生物质甘蔗渣和不同灰分含量的调控剂为前体，应用生物质自身模板技术和绿色合成方法构建多级结构孔碳材料，研究反应条件和调控剂对多级孔结构形成的影响和作用，研究组成、结构和性能之间的变化关系和内在规律，建立合理的构效关系模型和普适性调控方法。.通过四年来的努力工作，已完成了以上研究内容，实现了预期目标。本项目以废弃生物质、有机分子等廉价材料为前体，充分利用生物质无机有机组分、微组织、反应中间体为原位模板以及有机分子，调控微纳结构和性能，建立普适性调控方法，开拓新的应用领域，探索碳材料作为载体或模板构建微纳结构复合材料的新方法。在多级结构孔碳材料的设计和制备、电化学性能、构效关系、形成机理等方面在高水平期刊上发表了系列研究论文，并获得广泛引用。在国内外重要学术刊物上发表学术论文30篇，其中影响因子大于3.0的SCI收录论文27篇，申请专利3项，培养或协助培养研究生12名。.本项目研究将对无机合成化学、材料科学、生物质基碳材料等学科的发展具有重要意义，所取得的成果将为生物质基多级孔碳材料组成结构的创新设计、可控构筑及其在超级电容器、锂离子电池等能量存储领域中的广泛应用提供重要的理论依据技术支撑。