有序微孔/超微孔炭的离子储运行为研究

According to the discovery that micropores and ultra-micropores can efficiently store charges to significantly increase electric double layer capacitance by ions desolvation, and can combine the characteristic that the ordered microporous carbon has the large specific surface area and mutually connected and arrayed micropores in three-dimension making it efficiently utilized, the ordered microporous carbon will be used as the substrate material to synthesize the ordered micro/ultra-micro porous carbon by regulating the microporous structure and texture through utilizing the gas carbonization in the micropores on the basis of smart structure of the ordered microporous carbon. The effects of micro/ultra-micro pores structure on the ions desolvating process, and storage and transport behavior of desolvated ions will be investigated by analyzing the capacitive behavior of ordered micro/ultra-micro porous carbon, in order to comprehend the relation between the micro/ultra-micro pores structure and the storage and transport behavior of ions. Furthermore, the relation among the dimension of electrolyte ions, pore structure and capacitive behavior of ordered micro/ultra-micro porous carbon will be analyzed and built up. The (symmetric or asymmetric) electrochemical capacitor based on the micro/ultra-micro pores whose structure matches the ions (anions and cations, respectively) dimension will be also explored. The results will be of important significance in both experimental and theoretical aspects on developing supercapacitors with high energy and power density based on the capacitive behavior of micro/ultra-micro pores.

基于微孔/超微孔(≤2nm)利用离子去溶剂化高效储存电荷，显著提高电化学电容器双层电容特性的新发现，结合有序微孔炭比表面积高、微孔在三维空间相互联通有序分布利于微孔利用的特点，本项目拟以有序微孔炭为基础，通过利用含碳气体在微孔内的二次碳化，调控微孔孔径等组织结构，合成有序微孔/超微孔炭。通过研究有序微孔/超微孔炭的电容行为，分析微孔/超微孔组织结构对离子去溶剂化过程、去溶剂化离子的储运行为的影响，明晰微孔/超微孔组织结构与离子储运行为的联系机制，明确电解质离子大小、微孔/超微孔组织结构、电容行为之间的构效关系，进而研究建立具有与(阴、阳)离子相匹配的微孔/超微孔结构特征的(对称或非对称型)电化学电容器。相关结果将为建立基于微孔/超微孔电容行为的具有高能量密度和功率密度的电化学电容器提供实验和理论依据。

多孔炭材料由于在气体分离与储存、催化、能量存储和转化等诸多领域的广泛应用而备受关注。用做超级电容器电极材料的多孔炭要求同时具有以下几方面特性：有利于电荷在电极/电解质界面堆积的高比表面积、易于离子扩散和迁移的孔道、适合离子吸附的孔结构和孔尺寸，及良好的导电性和化学稳定性。因而合成和调控具有适宜组织结构的多孔炭材料，明晰多孔炭的孔结构和尺寸与离子储运行为间联系机制，对发展高性能超级电容器具有重要意义。.本项目以分子筛zeolite Y 和SBA-15分子筛为模板，采用直接CVD方法，成功合成具有有序孔结构的(氮掺杂)多孔碳并实现对其孔结构和尺寸的有效调控。1. 通过对模板硅烷化改性，提高其碳沉积活性，以硅烷化的SBA-15为模板，采用乙炔CVD，合成了具有双有序介孔结构的多孔碳，其由圆筒形和近六方形两种介孔构成，作为超级电容器电极材料展现了良好的比容量和倍率性能；采用乙腈蒸汽+乙炔CVD，成功合成了有序介孔和微孔复合的氮掺杂多孔碳，其提供了双电层和赝电容，具有更高的比容量和良好的倍率性能。2. 成功通过离子交换制备钴离子交换的zeolite Y 模板，因钴离子d轨道与乙炔可形成d-π共轭效应， 模板内Co离子做为活性中心显著降低有效碳沉积温度至400 °C，并保证了乙炔碳前驱体在模板孔道内的热解和碳转化，从而成功实现了低温高质量有序微孔碳的制备。并且，项目实现了有序微孔碳的低温规模化的实验室制备，为高质量ZTC生产技术的商业化奠定了很好的基础。3. 以具有介孔、微孔、超微孔的有序多孔碳为电极，选用具有离子尺寸不同的电解质，构造对称型和非对称型超级电容器，研究了电解质离子与多孔碳孔尺寸的匹配关系，即孔结构与尺寸对离子储运行为的影响。明晰了无论是介孔、微孔或超微孔，与阴阳离子匹配的孔尺寸是影响超级电容器性能的关键因素。