高活性无机组分修饰纳米网络结构碳材料的设计制备及性能研究

In this project, we will develop a new class of highly active inorganic component-decorated nanonetwork-structured carbon (HAICD-NSC) materials by utilizing carbon nanotube@transition metal salt of functional polymer hybrid molecular brushes as building blocks. In our preparation method, the facile solid-phase thermal crosslinking and carbonization treatments of hybrid molecular brushes will lead to formation of hierarchical porous nanonetwork structures with well-developed storage sites and mass transfer pathways, and simultaneously achieve the in-situ decoration of active components like transition metals and heteroatoms and the in-situ incorporation of excellent carbon nanotube conductive pathways. We will elucidate the solid-phase thermal crosslinking and carbonization mechanisms of hybrid molecular brushes, and reveal the formation and control rules of the hierarchical porous structures and the multi-phase surface and interface structures. As a result, the design and control principles of well-defined nanonetwork structures for HAICD-NSC materials will be formulated. On the basis of controllable material preparation, we will clarify the cooperative effects of the hierarchical porous structures and the components of multi-phase nanonetwork framework on the electrochemical reactions, and thus achieve excellent energy storage and conversion performances. We hope this project will greatly develop theories of hierarchical structure design, controllable fabrication and property improvement for nanocarbon materials.

本项目拟采用碳纳米管@功能高分子过渡金属盐杂化分子刷作为构筑单元，经过简单的固相热交联和碳化处理后，既可高效构建具有发达存储位点和传质通道的层次孔纳米网络结构，又可同步实现过渡金属和杂原子等活性组分的原位修饰以及优异碳纳米管导电通道的原位集成，从而发展一类新型的高活性无机组分修饰纳米网络结构碳材料。本项目拟着重阐明杂化分子刷的热交联历程和碳化机理，揭示层次孔结构和多相表界面结构的形成与调控规律，从而建立高活性无机组分修饰纳米网络结构碳材料的精准结构设计与调控理论。在可控制备的基础上，厘清各层次纳米孔道和各级网络骨架组分在电化学反应过程中的作用规律及协同效应，实现高效能量存储与转换。本项目将有力地促进纳米碳材料在多级化结构设计、可控制备和性能优化等方面的理论进步。

纳米网络结构碳材料是一类由纳米碳网络单元相互共价连接而成的新型纳米碳材料，在能源、催化和环境等领域具有广泛的应用前景。然而，现有纳米网络结构碳材料通常以酚醛树脂基或聚苯乙烯基材料为原料，存在构筑单元缺乏高功能基团、制备过程涉及工艺繁琐的液相交联反应、所得产物结构通常较为单一等瓶颈问题。有鉴于此，本项目致力于纳米网络结构碳材料的创新结构设计、先进制备及其构效关系研究。采用碳纳米管（CNT）@功能高分子过渡金属盐杂化分子刷作为构筑单元，经过简单的固相热交联和碳化处理，发展了一系列新型的高活性无机组分修饰纳米网络结构碳材料（HAICD-NSC）。系统研究了CNT@功能高分子过渡金属盐杂化分子刷的结构设计和可控合成规律，阐明了杂化分子刷宏观体材料的物理搭接规律，揭示了宏观体材料的固相热交联、碳化机理及其无机活性组分的形成与耦合规律，从而建立了HAICD-NSC的结构设计与调控规律。在可控制备的基础上，考察了HAICD-NSC的锂电池、催化等性能，揭示了这类新材料多层次纳米结构和多组分表界面结构的协同作用规律，构建了高效电化学活性位点和快速电子/离子传输网络，从而确立了高效能量存储与转换导向的结构—性能关系。在上述HAICD-NSC可控制备及构效关系理论的指导下，进一步利用CNT@功能高分子杂化分子刷设计合成了多种新型纳米网络结构碳材料，还发展了若干新型多孔高分子与碳材料。在本项目资助下，项目负责人以通讯作者在Nat Nanotechnol、Nat Commun、Adv Mater、Adv Funct Mater、Small、Sci China Mater、Sus Mat、Energy Storage Mater、Macromol Rapid Commun等SCI期刊发表论文30篇，获授权专利12件。项目执行期间，项目负责人获得国家杰出青年科学基金资助。