硫诱导碳气凝胶石墨化效应及其对超电容性能影响研究

Carbon cryogel attracts hot focus in supercapacitors application because of its low-cost, adjustable structure and excellent conductivity. Improving the graphitization degree of carbon cryogel is considered to be a significant method to increase the energy storage capacity of carbon cryogel-based supercapacitor. In this project, different modification methods are proposed to introduce varied sulfur-containing functional groups (sulfoxide, sulfone, sulfide et al.) to the surface of carbon cryogel. The effects of sulfur-containing functional groups on degree of graphitization will be set up, followed by characterization and analysis of supercapacitive performance of the corresponding samples in aqueous and organic electrolyte through electrochemical methods. The purpose of this project is to disclose the interaction and intrinsic physicochemical relations among chemical status of sulfur on surface, degree of graphitization and supercapacitive performances. The understanding of relations among these three factors, combined with optimization of structure of carbon cryogel, favors getting high specific capacitance, energy density, and excellent stability. The results of this project will promote the changing process from conventional energy resources to green, renewable energy, and will provide the technical and theoretical support for further improvement of supercapacitive performances of carbon cryogel.

碳气凝胶具有低成本、结构可调及导电性高的优点，从而在超级电容器领域受到广泛关注。改善石墨化程度是提高碳气凝胶超级电容器性能的重要手段之一。本项目拟以孔结构优化的碳气凝胶为研究对象，采用不同的掺杂方式对其进行表面硫修饰，期望制备出一系列含不同硫官能团种类（如亚砜基、砜基、噻吩基等）的碳气凝胶；在此基础上，研究硫官能团类型及含量对碳气凝胶石墨化程度的影响，并利用电化学方法研究硫修饰碳气凝胶在水系及有机系电解液中的超电容性能。本项目研究将揭示含硫碳气凝胶的表面硫化学状态-石墨化程度-超电容性能之间的关联及内在影响机制，并通过对碳凝胶组成与结构的优化，进一步获得具有高比电容值、优良循环稳定性、高能量密度的硫修饰碳气凝胶。项目的研究成果对绿色、可再生能源代替传统能源的实现具有重大推动作用，同时也可为碳基超级电容器性能的进一步提高提供表面改性原理及实验参考。

碳气凝胶具有低成本、结构可调及导电性高的优点，从而在超级电容器领域受到广泛关注。改善石墨化程度是提高碳气凝胶超级电容器性能的重要手段之一。本项目以孔结构优化的碳气凝胶为研究对象，采用不同的掺杂方式对其进行表面硫修饰，期望制备出一系列含不同硫官能团种类（如亚砜基、砜基、噻吩基等）的碳气凝胶；在此基础上，研究硫官能团类型及含量对碳气凝胶石墨化程度的影响，并利用电化学方法研究硫修饰碳气凝胶在水系及有机系电解液中的超电容性能。本三年期项目主要围绕超级电容器用电极材料为研究对象， 主要采用溶胶凝胶法调控对应反应参数得到不同孔结构的碳气凝胶作为电极材料， 利用热裂解法和溶剂交换法制备 不同形式及含量的S 掺杂多孔碳材料，研究表明噻吩基含硫官能团对碳材料石墨化程度的影响显著，在提高石墨化程度的同时引入赝电容，大幅度提高比电容值；采用热裂解方法制备硫/磷共掺多孔碳材料，硫异质原子以噻吩基和磺酸盐基的形式存在于碳材料表面，噻吩基的存在有效提高碳材料自身的石墨化程度， P 的存在引入了赝电容； 并进一步研究了二维硫属化合物中的 S 原子作为催化活性位点，自发的与邻近的金属-金属键进行电子传递，通过面内自优化的机制有效提升了电催化性能。