聚合物胶体导向下多孔碳纳米球的可控合成、结构优化及其电化学性能研究

Nanoscaled porous carbon spheres have important applications in the fields of adsorption and catalysis, energy storage, and controlled drug release,etc. This project aims: to propose the synthesis methodology for porous carbon nanospheres (PCNs) with uniform and controllable diameter and tunable pore structure based on polymer colloid "seed" oriented approach through soft/hard templating; to optimize the microstructure and surface properties of PCNs by structure reforming and surface modification technology to enhance the graphitization degree and to improve ion transportation dynamics of electrolyte in the PCNs; to reveal the mechanism of structure reforming and surface modification of PCNs and to design and synthesize PCNs with four characteristics of regular geometrical morphology, micro- and mesostructure, high graphitization degree and surface functionalization; to explore the synthesis-structure-property relationship of PCNs to obtain the regularity between the electrochemical performances of PCNs and preparation parameters, microstructure, graphitization degree and surface properties; to establish key synthesis technology of PCNs with high rate charge-discharge characteristics, high specific capacitance and long cycle life; to open up a new methodology for the controlled synthesis and structural optimization of PCN-based advanced functional materials; to solve the key scientific and technological issues of PCNs as supercapacitor electrode materials, and to promote the research and development of key and new materials for new energy vehicles.

纳米尺度的多孔碳球在吸附与催化、能源存储和药物缓释等领域具有重要应用前景。本项目提出聚合物胶体"种子"导向下，通过软/硬模板作用合成直径均一可控和孔结构可调的多孔碳纳米球的方法；应用结构重整和表面修饰方法优化多孔碳纳米球的微结构和表面性能，提高其石墨化度，改善电解质在其孔道中的离子传输动力学，揭示多孔碳纳米球结构重整及表面修饰作用机制，设计并合成出集规则几何形貌、微孔-介孔结构、高石墨化度和表面功能化四大特性于一体的多孔碳纳米球；开展多孔碳纳米球合成-结构-特性关系的规律性研究，掌握多孔碳纳米球电化学性能与制备参数、微结构、石墨化度和表面性能关系的规律性，建立具有高倍率充放电特性、高比电容和长循环寿命的多孔碳纳米球的关键制备技术；发展多孔碳纳米球基先进功能材料的可控合成与结构优化方法学，解决多孔碳纳米球在超级电容器电极材料应用中的关键科技问题，促进面向新能源汽车的关键新材料的研发进程。

纳米尺度的多孔碳球在吸附与催化、能源存储和药物缓释等领域具有重要应用前景。本项目根据能源高效存储要求对多孔碳纳米球进行结构设计和调控，利用有机构筑基元的结构特性，基于聚合物胶体诱导、互穿聚合物网络、金属有机框架等，发展了新型多孔碳纳米球的结构设计与可控合成方法学；通过功能分子前驱体自聚/共聚、胶体“种子”导向、离子液体的自掺杂和自模板等原位合成方法引入电化学活性的氮/氧/硫杂原子，改善材料表面润湿性能，发展了一系列碳纳米球表面功能化方法；利用金属离子与前驱物之间的相互作用（原位反应/静电相互作用/配位作用等），将电化学活性的金属（氧化物）引入到多孔碳纳米球中，同时增加材料的石墨化程度，为解决金属（氧化物）在多孔碳纳米球中的均分散问题提供了新的思路。本项目执行过程中，解决了多孔碳纳米球合成过程中形貌、孔结构、石墨化度和表面功能化调控和集成中的一些基础科学问题，揭示了多孔碳纳米球结构重整及表面修饰作用机制，掌握了结构可控、导电性能和表面润湿性能优越的多孔碳纳米球的合成方法；研究了多孔碳纳米球电化学性能与制备参数、微结构、石墨化度、表面性能关系的规律性，掌握了结构可控、高电导率、表面性能和电化学性能优越（高倍率充放电特性、高比电容和长循环寿命）的多孔碳纳米球的关键合成方法。本项目的实施发展了多孔碳纳米球结构设计与可控合成的方法学，解决了多孔碳纳米球作为超级电容器电极材料在应用中的关键科技问题。功能化多孔碳纳米球作为超级电容器电极材料使用，凸现出了材料的高性能和高性价比等功效，为推动基于多孔碳纳米球的先进功能材料的可控合成、结构优化及其应用基础研究的不断发展打下了扎实基础。