以生物基质子化离子液体创制高性能超级电容器电极炭材料

Amino acid is abundant in the nature as the basic constituent unit of waste proteins. Amino acid protic ionic liquids (AA-PILs) have good thermal stability, can be easily synthesized, and hold promise as potential precursors in the design of high performance electrode carbon materials for supercapacitors. Based on the N/S AA-PILs, a series of hierarchical porous carbon materials with tuned micro-meso-macropore structure are expected to be prepared via the “double-soft-template” method. The pore size distribution of hierarchical porous carbon materials can be tuned, will be examined in terms of the capacitive properties as carbon electrode materials in supercapacitors. AA-PILs, as excellent carbon precursors, have three functions: to form the carbon skeleton of conductive carbon materials, to provide heteroatoms in the porous carbon materials, and to form micropores. In order to make supercapacitors with high energy density, high power density and good cycling stability, this project will examine the influence of the molecular structure of AA-PILs on the pore structure, the surface and interfacial structures and electrochemical properties of the N/S co-doped porous carbon materials. The project will help to develop techniques for the synthesis and fabrication of the N/S co-doped carbon electrode materials for supercapacitors, while providing new information and ideas for the realization of natural waste biomass energy utilization.

氨基酸是废弃生物蛋白的基本组成单元，以氨基酸质子化离子液体（AA-PILs）作为新型的前驱体设计构筑高性能超级电容器电极炭材料，可实现废弃生物质的高效资源化。本项目提出以含N、S杂原子的AA-PILs为碳源，基于“双软模板法”的技术策略，设计和构筑具有多级孔道结构，且微孔-介孔-大孔的分布可调控的多孔炭材料，研究揭示其作为超级电容器电极材料的构效关系。其中，AA-PILs兼具三种功能：导电性炭材料骨架的碳源、杂原子的前驱体和微孔结构的导向剂。项目将围绕高性能的超级电容器电极材料的创制及其电化学性能的优化，重点研究揭示AA-PILs前驱体所对应氨基酸的分子结构对N/S共掺杂多级孔炭材料的孔隙结构、表界面结构及化学性质和电化学性能的影响规律。项目的实施，将丰富和发展N/S共掺杂的超级电容器电极材料的创制及结构与性能的调控科学内涵，同时为实现天然废弃生物质的能源化提供全新的信息和思路。

氨基酸是废弃生物蛋白的基本组成单元，以氨基酸质子化离子液体（AA-PILs）作为新型的前驱体设计构筑高性能超级电容器电极炭材料，可实现废弃生物质的高效资源化。项目首先以21种常见氨基酸为原料，制备出一系列热稳定性高且富含N、S杂原子的质子化离子液体AA-PILs，通过软模板法和活化法制备出不同结构特征的杂原子掺杂多孔炭应用于超级电容器，结果发现不同氨基酸的硫酸质子化离子液体的炭产率和电化学性能明显不同；其次，根据分子结构特征，分别选取21种氨基酸中具有自组装和聚合作用的天冬酰胺硫酸质子化离子液体、高含氮量的精氨酸磷酸离子液体、含有羟基和羧基的苏氨酸硼酸质子化离子液体、含有羟基和氨基的丝氨酸磷酸质子化离子液体、葡甲胺硫酸质子化离子液体为典型结构前驱体，深入探究了双软模板法、活化法制备N/S、N/P、N/B、N/S/P共掺杂炭电极材料的电化学性能与质子化离子液体骨架结构、化学性质及炭材料孔隙结构、形貌等微观结构之间的关系。最后，在以生物质——壳聚糖为原料，成功应用双软模板法制备高性能N/S共掺杂超级电容器电极材料和一系列AA-PILs为碳源制备多孔炭材料的基础上，选择废弃蛋白——鸡毛为原料，制备高性能超级电容器电极材料，实现废弃生物质蛋白的高效资源化利用。项目进行期间，在 Journal of Hazardous Materials, Electrochimica Acta, ACS Applied Materials & Interfaces 和 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 等期刊发表研究论文 34篇，直接相关研究论文 15 篇；研究团队获“河南省高校科技创新团队”；授权国家发明专利2 项；培养博士后2人，博士生 5人，毕业硕士研究生 7人。