《熱誘導自組裝合成有序納米炭及其在儲能領域的套用》是依託中山大學，由符若文擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：熱誘導自組裝合成有序納米炭及其在儲能領域的套用
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：符若文
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目以嵌段共聚物聚苯乙烯－聚對氯苯乙烯（PS-b-PClSt）前驅體經熱誘導本體自組裝合成有序納米炭。其中，PS充當模板，PClSt直接熱解成炭，無需另加模板與炭源，具有獨創性。項目擬控制PS-b-PClSt的分子量、鏈段組成及自組裝溫度，實現有序納米炭在層狀、球狀和柱狀等微相形態之間的轉變，並闡明其孔結構控制機理。然後，依據自洽場理論，繪製PS-b-PClSt的熱力學相圖，為其構築有序納米炭提供理論指導。在此基礎上，開展有序納米炭在超級電容器等儲能器件中的套用研究。通過闡明其骨架微孔、有序中孔和微晶結構在電荷儲存、釋放過程中的作用機制及協同效應規律，建構其納米結構－電化學性能關係。本項目提出可成炭嵌段共聚物模板、並開創熱誘導本體自組裝合成有序納米炭的新方法。對比溶液自組裝，具有免溶劑，節能環保，容易規模化等優勢，將有力推動有序炭在儲能領域的套用，具有開拓性學術意義和重要的實用價值。
結題摘要
項目以聚苯乙烯等為碳源，設計合成含可成炭組分的嵌段共聚物，通過熱誘導本體自組裝製備有序納米孔炭前驅體，實現了前驅體納米結構在成炭過程中的可繼承性，並進一步開展了此類新型納米炭在儲能器件中的套用研究，提出了一種免溶劑、易於規模化生產的製備儲能用有序納米孔炭材料新方法，具有重要的科學和實用價值。主要工作如下： 1、開展了有序納米孔炭前驅體PCMS-b-PS、PMMA-b-PS、PAN-b-PMMA和PTEPM-b-PS等嵌段共聚物的設計合成，考察了反應時間、單體/引發劑比等製備工藝對分子量、鏈段組成和單分散係數等分子結構的影響，實現了系列嵌段共聚物的可控合成。但CMS自聚傾向較大，這使PCMS-b-PS的合成可控性較差。 2、通過熱誘導自組裝方法，實現了PTEPM-b-PS、PMMA-b-PS和PAN-b-PMMA系列嵌段共聚物的微相分離，成功得到具有柱狀、層狀和球狀等預定納米形貌的有序納米孔前驅體，並著重研究了嵌段共聚物的組成及自組裝條件對前驅體納米形貌的影響，闡明了有序孔前驅體微納形貌調控規律。發現PCMS和PS的玻璃化溫度都較高，不利於大塊狀樣品的有序組裝，而PTEPM-b-PS是比其它共聚物更適合於進行熱誘導自組裝製備有序結構炭的前驅體。 3、創新原位自凝膠化和超交聯反應技術，實現了PTEPM-b-PS有序孔前驅體在成炭過程中的納米結構繼承，成功製得有序納米孔炭材料，並研究了鏈段組成、超交聯工藝等對所得炭材料孔結構的影響，闡明了有序孔炭材料納米結構對嵌段共聚物分子量及組成的依賴性。 4、考察了PTEPM-b-PS有序孔炭材料的電化學性能，證明有序孔炭材料具有更好的離子傳輸性能和更高的有效電化學活性表面。例如，在不同電流密度下，有序孔炭材料的比電容和電容保持率均明顯高於活性炭YP-50，在0.5 A/g電流下，比電容仍高達151 F/g，顯示出優異的大電流充放電能力。 5、發展了聚乙二醇誘導、反應性模板誘導和交聯反應誘導等自組裝法，分別製備了具有優異電化學性能的二維六方和體心立方有序中孔炭以及高微孔炭材料和炭納米球，豐富了納米孔炭材料的製備科學。 6、以這些炭為模型，開展中孔形貌、中孔構造、炭骨架結構以及中/大孔網路結構與離子傳輸能力等關係研究，證實了筆直有序孔優於彎曲孔，三維連通有序孔優於不連通孔；中/大孔網路和中空腔可提供離子輸運通道並有效縮短離了輸運距離等。
