互穿聚合物网络导向下分级孔碳的设计合成及其电化学性能研究

Hierarchical porous carbons (HPCs) have important application prospects in the fields of adsorption, catalysis, and energy storage, etc. The project aims to (1) propose a new method for the synthesis of HPCs with macro-, meso-, and micropores through self-template and hydrogen-bonding synergistic effect oriented by interpenetrating polymer networks (IPNs); (2) systematically research the effect of synthetic methods and conditions on the structures of IPNs, along with the multi molecular hydrogen-bonding interactions between structure directing agent, metal organic complexes with multi-hydroxyl groups, and IPNs, to achieve the efficient control of the multi-scale pore structure of HPCs; (3) conduct nitrogen functionalization of HPC surfaces to (a) increase the surface wettability of the HPCs to improve electrolyte ion transport properties, (b) improve the conductivity and surface Faraday reaction sites of HPCs, and (c) reveal the mechanism of nitrogen functionalization, with the target of achieving the designed synthesis of HPCs with three characteristics of three-dimensional and open pore channels, adjustable multi-scale pore structures and nitrogen surface functionalization; (4) research the relationship between the electrochemical performances of the HPC electrodes and the pore structure and surface parameters, and conductivity to establish the key synthesis technology of HPCs with a high specific capacitance, a high-rate charge-discharge capability and excellent cycle stability; (5) develop the design and synthesis methodology of porous carbons as advanced functional materials, solve the key scientific and technical problems of carbon-based materials for supercapacitors, and finally promote the R & D process of key and new materials in related fields.

分级孔碳在吸附、催化、能源存储等领域具有重要应用前景。本项目提出在互穿聚合物网络导向下，通过自模板及氢键协同作用合成具有大孔-介孔-微孔的分级孔碳的新方法。系统开展合成方法和条件对互穿聚合物网络结构的影响研究，同时利用结构导向剂多羟基金属有机配合物与互穿聚合物网络分子间多重氢键相互作用，实现对分级孔碳各级孔结构的有效调控。对分级孔碳进行表面氮功能化，增加材料表面的润湿性能，改善电解质离子的输运性能，同时提高材料的导电性和表面法拉第反应位点；揭示氮表面功能化的作用机制，设计合成出集三维孔道互通、各级孔结构可调、氮功能化三大特性于一体的分级孔碳。开展材料的电化学性能与其孔结构和表面参数、电导率关系研究，建立兼具高比电容、高倍率充放电性能和优异循环性能的分级孔碳的关键合成技术，发展多孔碳先进功能材料设计合成方法学，解决碳基材料应用于超级电容器中的关键科技问题，推动相关领域关键新材料的研发进程。

电极是限制超级电容器这一清洁能源器件应用的关键因素，而多孔碳材料的相关研究目前是本领域科学家关注的热点之一。本项目通过同步互穿和顺序互穿的合成方法，分别开展了由两种合成有机聚合物、合成有机聚合物与天然聚合物、有机聚合物和无机聚合物组成的互穿聚合物网络导向下，通过自模板及结构导向剂多羟基有机配合物与互穿聚合物网络组分之间的氢键等相互作用，获得了结构可控的具有大孔-介孔-微孔的分级孔碳材料。通过运用含N、O、S、B等元素的单体合成前驱体聚合物，实现了多孔碳材料的单一多种组分的掺杂，以此改善多孔碳材料表面的亲水性，从而改善电解质离子的输运性能，提高材料的导电性和法拉第反应位点。通过分子自组装、溶剂选择等方法控制多孔碳的形貌，获得了绣球状、空心棒状、片状的多孔碳纳米材料；通过碳酸氢钾原位活化、自发交叉偶联调节多孔碳的孔结构，获得了一系列具有高可及比表面积、互联通道（微孔-介孔-大孔）和多种形态的多孔碳电极材料。通过XRD、Raman、XPS、SEM等手段对所获得的的碳材料进行了结构表征，并通过循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法对碳材料作为超级电容器性能进行了测试。通过开展材料的电化学性能与其孔结构和表面参数、电导率关系研究，建立了兼具高比电容、高倍率充放电性能和优异循环性能的分级孔碳的关键合成技术，发展了多孔碳先进功能材料设计合成方法学，在碳基材料应用于超级电容器中的关键科技问题上有所突破，将进一步推动相关领域关键新材料的研发进程。