木质素多孔碳纳米片原位自组装构建及在超级电容器中的应用基础研究

Lignin, with three-dimensional reticular structure, high carbon content and a large number of conjugated structures, is considered as an ideal carbon precursor. Carbon material is a new type of electrode material with great application value. Using lignin to prepare carbon electrode materials can not only reduce the cost, but also improve the electrochemical properties of energy storage devices, and promote the high value utilization of lignin resources. However, in order to realize the high value utilization of lignin carbon electrode materials, three urgent problems need to be resolved: serious agglomeration, disordered pore structure and low specific surface area. Lignin-based porous carbon, with ordered microscopic morphology, classification of porous structure and high specific surface area, will be built by self-assembly and in-situ carbonization technology, based on intermolecular self-assembly, in-situ pore formation and gas stripping. And its electrochemical properties are greatly improved. The regulation mechanism of lignin-based carbon microstructure and its influence on electrochemical properties were studied. The theoretical mechanism of hydrogen bond, electrostatic force, gas-stripping and in-situ pore formation during self-assembly in-situ carbonization is revealed. To further elucidate the regulatory mechanism of the microstructure and electrochemical properties of lignin carbon, a new method for the preparation of lignin-based porous carbon nanosheets will be developed, which will lay a foundation for the application of lignin in carbon energy storage materials.

木质素是具有三维网状结构、高碳含量和大量共轭结构等特点的碳材料前驱体。碳材料是一类具有极大应用价值的新型储能器件电极材料。利用木质素制备碳电极材料，不仅可以降低成本，同时能提高储能器件的电化学性能，还可以推动木质素的资源化高值利用。要实现木质素碳电极材料的高值化利用，急需解决其团聚严重、孔结构无序、比表面积低等关键科学问题。本项目将利用自组装和原位碳化技术，基于木质素与锌盐之间的相互作用力进行自组装解决木质素的团聚问题，并基于气体剥离和原位造孔构建有序微观形貌、分级多孔结构和高比表面积的木质素多孔碳，大幅提高其电化学性能。重点研究木质素碳微结构的调控机制及对电化学性能的影响规律，揭示自组装原位碳化过程中氢键、静电等作用力、气体剥离和原位造孔的理论机理，进一步阐明木质素碳微结构和电化学性能的调控机制，建立木质素多孔碳纳米片制备的新方法，为实现木质素在新型储能碳材料中的高值化应用奠定基础。

木质素是具有三维网状结构、高碳含量和大量活性官能团等特点，是一种理想的碳材料前驱体。碳纳米材料在新型储能器件电极材料和催化剂等领域具有广阔的应用前景和极大的应用价值。利用木质素制备碳纳米材料应用于储能器件，不仅可以降低成本、提高性能，还可以促进绿色生物质资源木质素的高值化利用。然而，要实现木质素在碳电极材料的高值化利用，还存在团聚严重、孔结构无序、比表面积低等关键难题亟待解决。基于此，本项目利用自组装和原位碳化技术，利用木质素与氧化锌前驱体之间的相互作用力进行自组装有效解决了木质素的团聚问题，基于气体剥离和ZnO原位模板造孔构筑了微观形貌可调控、孔径分布具有分级特点的高比表面积木质素碳纳米材料，并且其电化学性能得到大幅度改善。本项目研究得出以下重要结论：①掌握了工业木质素的可控化学改性工艺，对木其官能团种类和相对含量进行有效设计和化学接枝改性。②掌握了可控构建木质素多孔碳纳米材料的制备工艺，可对其微观孔道结构和比表面积等微结构参数进行有效调控。③制备了性能优异的木质素多孔碳纳米材料，并揭示了其电化学性能与其微结构之间的构效关系，为高性能木质素碳纳米材料的设计和制备提供了理论基础。综上所述，较好的完成了项目计划书的相应研究目标。通过本项目的研究，创新性的解决了木质素碳纳米材料微观结构难调控的难题，为木质素在高附加值碳纳米材料中的应用打下了坚实的基础。