结构参数可控的中空多孔碳纳米材料的合成与性能研究

The project focuses strategies to synthesize hollow porous carbon nanomaterials and yolk-shell carbon nanomaterials with controllable structures. With the aim to obtain promising hollow porous carbon nanomaterials and yolk-shell carbon nanomaterials for their potential applications, this project includes the following four parts: (1) New synthetic methods based on the cationic surfactant assisted resorcinol formaldehyde resin coating strategy will be developed to synthesize hollow porous carbon nanomaterials with the controllable structure parameters, such as methodologies, sizes, pore structures, and thickness and graphitic structures of hollow carbon shells. (2) Structure-activity relationship of hollow porous carbon nanomaterials will be investigated to design carbon nanomaterials with the specified structures for the targeted application fields, such as supercapacitor electrode, lithium batteries, and lithium-sulfur batteries. (3) Effective methods for synthesizing the yolk-shell carbon structures with controllable inner cores and hollow shell structures will be explored. (4) By designing the desired functional inner cores and optimizing the structure parameters of hollow porous carbon shells, the yolk-shell carbon nanomaterials with high performance will be created for lithium batteries and confined catalysis. The project presents strong interdisciplinary and will provide important guidance for the rational design and application of the hollow porous carbon nanomaterials.

以中空多孔碳纳米材料、中空多孔包裹型碳基纳米材料的控制合成为主要对象和获得具有良好应用前景的中空多孔碳纳米材料、中空多孔包裹型碳基纳米材料为主要目标，本项目研究主要包括如下四部分：(1)基于"阳离子表面活性剂辅助的酚醛树脂包裹"合成策略来构筑能够有效调控中空多孔碳纳米材料的形貌、尺寸和孔道结构，碳壳厚度和石墨化程度等结构参数的合成体系。(2)通过"构-效"关系研究来设计和合成具有特定结构和性能的中空多孔碳纳米材料以满足其在超级电容器，锂离子电池和锂-硫电池等方面的应用需求。(3)建立可对内包活性材料和中空多孔壳层进行调控的中空多孔包裹型碳基纳米材料的合成方法。(4)通过功能性内核的设计和结构参数的优化来获得在锂离子电池和限域催化领域中具有良好前景的中空多孔包裹型碳基纳米材料。项目学科交叉性强，通过项目实施可以为中空多孔碳纳米材料的合理设计与应用提供重要指导。

中空多孔碳纳米材料因其在催化、锂离子电池、锂硫电池、超级电容器、吸附和生物医学等众多领域的良好应用前景，受到了研究者们的广泛关注。然而，如何针对中空多孔碳纳米材料进行精准的结构设计和控制合成仍然具有很强的挑战性。基于此目标，本项目研究内容围绕着合成方法学开发，进而针对储能和催化应用领域设计和优化中空多孔碳纳米材料，展开了以下四个方面的研究：（1）开发“阳离子表面活性剂辅助的酚醛树脂包裹”策略以控制合成中空多孔纳米球和“球套球”型中空多孔碳纳米球；（2）开发“无机-有机共组装”策略以控制合成备氮掺杂型中空多孔碳纳米球；（3）开发氢氧化镁模板法以合成分级多孔结构的中空多孔碳纳米片；（4）相关材料被成功地应用于限域催化、超级电容器、锂离子和锂硫电池等领域。特别需要指出的是，传统的中空多孔碳纳米材料作为电极材料因其巨大的内部空腔导致体积能量密度过低。本项目开发的一些新型中空多孔碳纳米材料，如“球套球”型中空多孔碳纳米球，掺杂型中空多孔碳纳米碗和中空多孔碳纳米片能够显著提升能量密度，为中空多孔碳纳米材料的应用提供了新机遇。执行期间，项目已表在国际学术期刊上共发表学术论文6 篇，包括1 篇 Adv. Energy. Mater.和1篇Adv. Funct. Mater.。