有序多孔聚合物的软界面多尺度构筑及其性能研究

Although self-assembly technology provides a powerful tool for the development of new electrode materials with high performance, so far, there is still a lack of effective and general strategies for the controllable multi-scale construction of polymer electrode materials, especially of ordered mesoporous arrays within them. Here, we propose new approaches to controllably fabricate the ordered porous polymers, carbon and their compounds by manipulating the co-assembly between amphipathic block co-polymers and the other soft templates, including zero-dimensional soft templates (spherical colloids), one-dimensional soft templates (gel fibers derived from self-assembly etc.) and two-dimensional soft templates(gas/liquid interfaces, liquid/liquid interfaces, surfactant-assisted gas/liquid interfaces). Meanwhile, we will further investigate the mechanism of co-assembly between block co-polymers and the other soft templates, the mechanism of the formation and control of ordered pores, and explore their applications in energy conversion and storage devices.

尽管自组装技术的发展为开发新型的高性能电极材料提供了强有力的手段，但迄今为止，仍缺乏有效的自组装策略进行聚合物电极材料的可控和多尺度合成，尤其是在其材料内部直接构筑出规则有序的介孔阵列（2~50 nm）。因此，我们拟通过系统地调控两亲性的嵌段共聚物胶束在不同软界面的共组装行为，制备结构可控的有序多孔聚合物材料、碳材料及其复合功能材料，包括零维的软模板界面（球形胶体等）、一维的软模板界面（自组装的凝胶纤维等）、二维的软模板界面（液/液界面、气/液界面、表面活性剂辅助的气/液等界面）等。进一步地，我们也将深入地揭示嵌段共聚物胶束和不同维度软模板的共组装机理、有序孔的形成和控制机理，并探索获得的有序多孔聚合物多尺度材料在能源存储与转换领域中的潜在应用。

在电极材料的内部构建出多孔的结构，特别是规则的介孔阵列（2~50 nm），能为其提供贯穿的孔道、开放的网络结构和大的比表面积，利于促进电子或离子在电极材料中的传输，也为电解质的扩散提供缓冲区域，大大缩短电解质离子的扩散距离，减小其传输阻力，从而使材料具有较高的电化学活性。聚合物材料、特别是导电聚合物具共轭的π电子体系结构，同时又有易于掺杂和脱掺杂特性、较高的室温电导率，以及良好的柔韧性和可加工性，以上特点使得导电聚合物在先进电极材料的开发中受到越来越多的关注。尽管自组装技术的发展为开发新型的高性能电极材料提供了强有力的手段，但迄今为止，仍缺乏有效的自组装策略进行聚合物电极材料的可控和多尺度合成，尤其是在其材料内部直接构筑出规则有序的介孔阵列结构。该项目的总体目标是研究软模板导向的界面组装构筑有序多孔聚合物及其在能源领域的应用。项目研究按计划展开，实现了两亲性胶束在不同维度的界面，包括零维的软模板界面（PS球形胶体等）、一维的软模板界面（自组装的一维超分子聚集体等）和二维的软模板界面（液/液界面、气/液界面、表面活性剂辅助的二维界面）等的有序自组装，并以此为模板，制备出一系列的结构可控材料（聚合物、碳材料和无机氧化物等等），也探索了它们作为能源存储与转换电极材料时的电化学性能。本研究对于开发新的自组装技术和原理、新型多孔聚合物材料的制备，以及研究获得的多尺度的多孔聚合物材料在能源器件领域中潜在的应用等方面具有重要意义，可为多孔聚合物领域提供新的研究思路。