基于生物质的三维分级多孔炭的可控制备及其超级电容器性能研究

The hierarchical porous carbon (micropores, mesopores and macropores) with three-dimensional (3D) networks in different pore structures possess smooth channel、shortened diffusion pathways and good conductive network, which offer a promising strategy to enhance the specific capacitance and the energy density of supercapacitors devices. This project intends to prepare 3D interconnected hierarchical porous carbon using natural biomass materials gelatin as carbon source and potassium hydroxide (zinc chloride) as template agent and activator. The evolution of 3D hierarchical porous carbon using potassium hydroxide (zinc chloride) template method and the formation mechanism of channel will be investigated in detail and the key technology of channel control will be mastered. Additionally, the prepared hierarchical porous carbon will be modified by functional groups (such as doping of nitrogen, boron, sulfur, phosphorus and other heteroatoms, supported metal oxide nanoparticles, etc). The reaction mechanism between hierarchical porous carbon and functional groups will be investigated, achieving the controllable preparation of functional hierarchical porous carbon with rational structure and excellent electrochemical performances. Importantly, this facile synthetic route provides a convenient and potential way of preparing high-performance supercapacitors electrode materials.

不同尺度的孔道通过三维网络组装而形成的分级多孔炭（微孔、中孔、大孔）具有畅通的孔道、较短的扩散距离以及良好的导电性，对于提高超级电容器电极材料的比容量和能量密度具有非常重要的意义和作用。本项目拟以可形成凝胶的天然生物质材料为碳源，以氢氧化钾（氯化锌）为模板剂和活化剂，来制备三维贯通的分级多孔炭。详细研究氢氧化钾（氯化锌）模板法制备三维分级多孔炭的演变规律及其孔道形成机制，重点掌握孔道控制的关键技术。此外，还将对所制备的分级多孔炭进行功能化修饰(如掺杂氮、硼、硫、磷等杂原子，负载金属氧化物纳米粒子等)，阐明分级多孔炭与功能基团的作用机制, 实现拥有合理空间结构且电化学性能优异的功能化分级多孔炭的可控制备，为超级电容器电极材料比容量的提高及器件能量密度的提升提供新的合成途径与方法。

三维分级多孔碳具有畅通的孔道、较短的扩散距离以及良好的导电性，是极具潜力的超级电容器用电极材料。但现有的三维分级多孔碳，存在制备工艺复杂、效率低下、孔结构可控性差和储能效率差等问题。基于上述研究背景，本项目从生物质的化学组成与结构、活化剂特性两方面入手，研究了分级多孔碳的比表面积、孔结构、孔径分布、微结构和表面化学特性等对储能性能和动力学性能的影响，优化了三维分级多孔碳的制备工艺，阐明其电荷储存行为和机理，全面系统地掌握分级多孔碳电极微观结构对超级电容器性能的影响规律；此外，以所制备的分级多孔碳为导电骨架，进一步负载赝电容材料，通过组装非对称电容器大幅度提升其能量密度。最终建立结构、性能可控的生物质基多孔碳的大批量、低成本制备方法，为高性能生物质基多孔碳的设计和制备研究提供可靠的理论和技术保障。