有机物小分子在多级功能化碳纳米孔道的物理-化学双重约束行为及电化学储能研究

A promising way to improve the electrochemical capacitance of carbon materials is decorating carbon with redox-reactive organic molecule, which is hot topic for the electrode materials of supercapacitors. Aiming to solve the key scientific problems of this kind of electrode materials, such as low loading mass and the outflow of reactive molecule, the new structural design of chemical modified 3D carbon with “narrow-neck bottle” like pores as the reservoirs was proposed. The synergetic confinement of reactive molecule by chemical bond and physical space can increase the loading mass of reactive molecule. Narrow neck of pores can inhibit the outflow of redox-reactive molecule, and shorten diffusion distance between reactive molecule and surface of carbon. The mechanism of the structure of reservoir (narrow neck of pores) and chemical modification on the confinement of redox-reactive organic molecule were proposed. And the quantitative relationship and effect of chemical-physical confinement of reactive molecule on redox-reactive molecule outflow rate and cyclic stability of the electrode materials also were revealed. Therefore, our results would provide theory basis and feasible measures for the design of energy materials with high capacitance, good rate capability and cyclic stability.

在碳材料表面修饰能够进行可逆氧化还原反应的有机小分子可以显著提高材料的电化学容量，是超级电容器电极材料的研究热点之一。针对目前该领域存在的有机小分子活性物质负载量过低以及活性物质易流失等问题，本项目提出了在高比表面积的碳材料内部构筑具有“蓄水池”功能“细颈瓶”型孔的设计理念，并通过碳表面的化学修饰实现“化学键合约束”和“物理空间约束”协同作用提高活性物质填充量，同时利用“细颈瓶”孔结构特点抑制活性物质的流失，并缩短有机分子到碳表面的扩散距离。重点研究碳材料内部多级孔结构及其表面官能团对电化学活性有机分子限域作用及稳定作用机制，揭示碳材料物理-化学双重约束与电化学活性物质流失速度、电化学循环稳定性之间的定量关系。为制备兼具高比容量、优良倍率特性以及循环稳定性的新型电极材料提供理论指导。

利用有机小分子对碳材料表面修饰进行修饰可以显著提高材料的电化学容量，在电化学储能领域具有重要意义。针对目前该领域存在的有机小分子活性物质负载量过低以及活性物质易流失等问题，本项目提出了在高比表面积的碳材料内部构筑三维贯通多级孔结构的设计理念，并通过碳表面的化学修饰实现了“化学键合约束”和“物理空间约束”协同作用提高活性物质填充量，同时利用多级孔结构特点抑制了活性物质的流失，并缩短了有机分子到碳表面的扩散距离。重点研究了碳材料内部多级孔结构及其表面官能团对电化学活性有机分子限域作用及稳定作用机制，揭示了碳材料物理-化学双重约束与电化学活性物质流失速度、电化学循环稳定性之间的定量关系。此外，成功组装了兼具高功率和高能量密度的非对称超级电容器，能量密度高达48 Wh kg-1，并且可以稳定循环10000次以上，没有能量衰减。该项目的研究成果为新型有机电极材料的结构设计及普适性应用具有重要的指导意义。