紫精基多孔碳复合材料的可控制备及其能量储存和转换的应用研究

Owing to its unique excellent physical properties and conductive properties, porous polymers is one of the important parts for designing and fabrication of new energy materials. The ion-exchange ability of the ionic porous polymer, which can as excellent ion-exchange materials, has been exemplified in the energy conversion and storage field.. In this project, Using design and tailoring functhion of viologen molecules, the polymerization of viologen-based porous polymer (CPV) act as the precursor, to be precisely tuned in the composition and structure of CPV. Furthermore, various types of metal oxide and carbide composites will be in situ synthetized through ion-exchange of different types of precursor. The porous carbon composites will be achieved by the pyrolysis of the CPV-based materials under N2 atmosphere. So as to achieve porous of the molecular level, as well as the control of its morphology, particle size distribution, and specific surface area. The electrochemical performance of the CPV-basede of the CPV-based composites as electrode materials will be investigated，and the relation among composition structure-surface morphology-properties will further be revealed, which provide the basis for the design of high performance electrodes materials. The project not only enriches the research field of solid materials chemistry, but also further promotes the application of polyoxometalate, which has important theoretical and practical significance.

鉴于其特殊的优异光物理性质和导电性质和大的比表面积，多孔聚合物是拓展新能源材料开发的重要组成部分之一。离子型多孔聚合物由于可以通过离子交换作用吸附其他功能型无机材料，成为了能源存储领域材料研究的热点。. 本项目以紫精基的离子型多孔聚合物（CPV）为前驱体，利用紫精基分子的设计、剪裁功能，精确调控设计复合材料的组成、多孔结构及其与无机纳米粒子的结合方式，并在N2保护下，热解不同类型紫精基多孔聚合物复合材料，原位制备具有多孔结构的紫精基多孔碳复合材料，从而达到分子水平的多孔设计，实现材料形貌、比表面积、无机纳米粒径调控，通过比较多种不同孔结构的材料作为电极材料的电化学性能的比较，揭示组成-结构-表面形貌-性能的内在联系。为设计能源存储与转化电极材料提供依据。该项目不仅丰富了固体材料化学的研究领域，而且进一步推进了多离子型紫精基多孔聚合物及碳化物的应用，具有重要理论及实际意义。

紫精基多孔聚合物由于其优异光物理性质和导电性质和大的比表面积，是拓展新能源材料开发的重要组成部分之一。基于多孔紫精基聚合物优异的性能，结合实验室三维石墨烯复合材料合成策略，实现多孔紫精基有机物基材料分子设计，合成了石墨烯包覆石榴石型簇状氮掺杂碳@CoOx、柔性聚酰亚胺纳米棒/石墨烯框架、掺磷石墨烯/聚酰亚胺柔性复合材料，并实现叔胺功能化的Co(II)卟啉、高自旋态的镍（II）酞菁和卟啉、石墨烯/电荷转移盐异质结构、以剥离的NiPS3作为模板在表面聚合紫精基多孔碳复合材料制备。通过分子水平的多孔设计和结构裁剪，实现材料形貌、比表面积、纳米粒径的调控，并将紫精基及其衍生聚合物材料分别应用于电池电极器件及二氧化碳还原催化：多孔紫精基聚合物衍生碳材料作为锂离子电池负极时，在100mA g-1的电流密度下，容量随着循环次数增加，容量稳定在 600mAh g-1，在2000mA g-1电流密度循环下，容量可以保持200mAh g-1，保持率高达50%；叔胺化的Co(II)卟啉，表现优异的电催化二氧化碳反应性能，包括CO法拉第效率（96.7%）和高周转频率（5433 h-1）；高自旋态的镍（II）酞菁和卟啉作为二氧化碳还原催化剂，由于氨基的二氧化碳吸附能力增强，在-0.7V显示高的CO法拉第效率（98.5%）；NiPS3模板紫精基衍生碳片(CNS-NiSA)实现了95%以上的二氧化碳选择性，以及-7.8 mA cm-2的电流密度（-0.8 V vs. RHE）；基于电荷转移盐和石墨烯异质结构的具有交流线路滤波性能的超级电容器器件在120Hz时的相位角为73.2°，特征频率3056Hz时的弛豫时间常数为0.32ms。此外，本项目还系统阐明材料结构-表面形貌-性能的内在联系，为设计紫精基电极材料提供依据。该项目不仅丰富了固体材料化学的研究领域，而且进一步推进了紫精基多孔有机聚合物的应用前景，具有重要的理论和实际意义。