高容量超级电容器用芴基氮掺杂碳纳米网电极材料的研究

Fluorene is one kind of white sheet-like polycyclic aromatic hydrocarbons formed in coal tar processing. It is a challengeable and important issue to realize high added-value utilization of fluorene. This project aims to put forward a new synthetic procedure to make nitrogen doped carbon nanomeshes with hierarchical pore structure from polycyclic aromatic hydrocarbons including fluorene by making use of metal oxides as a space-confinement template coupled with in-situ chemical activation technique in flowing ammonia gas to reveal its potential applications as the electrode materials of supercapacitors. Combined with the Materials Studio procedure, the polymerization mechanism of polycyclic aromatic hydrocarbons will be studied in terms of the synergistic effect of the composition, mass ratio of raw materials and the heat-treatment temperature on the pore structure and surface properties of carbon nanomeshes under the space-confinement conditions of metal oxide template in the synthesis process of carbon nanosheetes. In organic electrolyte, the storage and transport scheme of the charged ions in the hierarchical pores of carbon nanomeshes, and the effects of porosity and the nitrogen content in carbon nanomeshes on the specific capacitance and energy density of supercapacitor will be investigated. The relationship between the structure-composition-performance parameters of nitrogen doped carbon nanomeshes will be interpreted, and the corresponding regulation and control method will be built. This project will contribute to reveal the formation mechanism of carbon nanomeshes synthesized from the aromatic hydrocarbon molecules, enrich the content of aromaticity chemistry and carbon material subject, and will lay a solid foundation for the high added-value utilization of polycyclic aromatic hydrocarbon molecules and the innovation of high-performance supercapacitor electrode materials.

芴是煤焦油加工过程形成的一种白色片状多环芳烃，如何实现其高附加值利用是一个富有挑战性的重要课题。本项目提出以芴等多环芳烃分子为碳源，以金属氧化物为限域模板，辅以原位化学剪裁策略，在氨气气氛下研究具有分级孔的氮掺杂碳纳米网的合成新方法，揭示所得功能材料作为超级电容器电极材料的潜力。结合模拟计算研究原料组成、配比、热处理温度等对碳纳米网的孔结构和表面性质的影响规律，阐明金属氧化物模板限域条件下由多环芳烃聚合制备碳纳米网的机制。揭示有机电解液中荷电粒子在碳纳米网的层次孔中储存和输运规律及其孔隙结构和氮含量等对超级电容器的容量和能量密度的影响规律。诠释氮掺杂碳纳米网的结构-组成-性能之间的规律性关系，并建立相应的调控策略。项目的实施将有助于揭示由芳烃分子直接合成碳纳米网的机理，丰富芳香性化学和碳素材料学科的内涵，为多环芳烃分子的高附加值利用和高性能超级电容器用电极材料的创制奠定坚实的科学基础。

基于“煤化工精细化”的理念，围绕以芴、萘、菲、芘、蒽油、煤焦油、煤沥青为原料制备新结构高性能的功能碳纳米材料这一目标开展了系统的研究。开发了由稠环芳香性分子选控制备功能纳微米碳材料的新技术方法，研究了调控微纳米碳材料的结构和形貌、化学组成及物化性质的新方法；结合密度泛函理论，揭示了原料分子结构及制备工艺参数对目标功能碳材料的组成、结构及电化学性能的影响规律，为化工副产物高值化利用提供了一种可行的方法。 .（1）以芴为碳源、MgO为模板、KOH为活化剂，制备了芴基碳纳米网；所得材料的比表面积达2550 m2/g，作为对称型超级电容器电极材料，当电流密度增大到100 A/g时，其比容保持为211 F/g；采用密度泛函理论和模拟计算，阐述了由小分子芴制备大的碳纳米网的机制。.（2）用廉价的Ca(OH)2代替MgO后，制备了交联的多孔碳片；所得材料作为对称型超级电容器电极材料在3 mol/L的ZnSO4水系电解液中，能量密度达31.9 Wh/kg；经50000次循环充放电后，材料的容量保持率为99.3%。.（3）以蒽油为碳源、CaCO3为模板、KOH为活化剂，制备了蒽油基碳纳米网；所得材料在3-甲基-1-乙基咪唑六氟磷酸盐离子液体中，当电流密度为0.05 A/g时，其比容和能量密度达266 F/g和113.1 Wh/kg。.（4）以芘分子为碳源、纳米MgO为模板、三聚氰胺-植酸超分子聚合物为掺杂剂，耦合KOH活化，合成了相互连接的N/P共掺杂碳纳米笼；以所得材料组装的对称型超级电容器50000次循环后电容保持率为96.1%；能量和功率密度分别为130.6 Wh/kg（82.3 Wh/L）和14.4 kW/kg（9.1 kW/L）。.项目执行期间，获得辽宁省自然科学一等奖 1 项（R3）、安徽省自然科学三等奖1项（R1）。以通讯作者或第一作者发表 SCI 收录论文17 篇，EI 收录论文2 篇。其中，高水平1区论文6篇，国产SCI论文10 篇，ESI 1%高被引论文 1 篇。申请发明专利 4件，获授权专利 2 件；此外，2件专利实现了转让许可。主办学术研讨会 2 次，做邀请报告9次。培养博士生3名、硕士生 9名，其中，2名研究生获国家研究生奖学金，4名硕士生继续攻读博士学位。