超级电容用新型富氮多孔聚合物/石墨烯复合电极材料的研究

Supercapacitor has become a novel energy storage device due to its outstanding advantages with high power density, good performance of charge/discharge performance and so on. The electrode material is the key to determine the comprehensive performance of a supercapacitor. It is a hot and difficult issue to improve the energy density of the supercapacitor at present. Nitrogen-enriched porous polymers containing double phthlazinone and triaryl-s-triazin moieties would be prepared in this project, starting from molecular design, then combine the obtained nitrogen-enriched porous polymers with graphene to construct a series of novel electrode materials for supercapacitors and discuss the relationship between structures and properties. Focus on the effects of nitrogen content, pore structure, graphene content, the interfacial interaction between polymer and graphene on the electrode materials and the comprehensive performances of supercapacitors, thereby, composite electrode materials and supercapacitors with high energy density, high power density and excellent charge-discharge cycle stability would be obtained. Optimize the synthetic technics of novel monomers and polymers, as well as the hybrid technics of electrode materials. Reduce the cost at full steam to provide theoretical and experimental basis for the applications of composite electrode materials for supercapacitors.

超级电容因其具有高功率密度、充放电性能佳等突出优点，已成为新一代储能器件。电极材料是决定超级电容综合性能的关键，提高超级电容的能量密度已成为目前的研究热点和难点。本项目拟从分子设计出发，合成含有双二氮杂萘酮及三芳基均三嗪结构的新型富氮多孔聚合物，再与石墨烯复合构建超级电容用新型电极材料，研究其结构与性能的关系。重点研究聚合物含氮量和孔结构、石墨烯含量以及聚合物与石墨烯界面相互作用等对电极材料及超级电容综合性能的影响，从而制得具有高能量密度、高功率密度、充放电循环稳定性优异的复合电极材料及其超级电容；研究、优化新单体和新聚合物的合成工艺及复合电极材料的复合工艺，最大限度降低制备成本，为复合电极材料及其超级电容的工程化推广应用提供理论基础和实验依据。

多孔有机网络材料具有结构可控、比表面积高、杂原子掺杂可调节等众多优势，是一类非常具有应用前景的超级电容器电极材料。本项目针对含三嗪基多孔有机网络材料的制备及其电容性能研究取得较大进展。通过适当提高三嗪基聚合物的聚合反应温度， 可以很好地改善三嗪基聚合物的导电性，从而为其在超级电容领域的进一步应用提供了可能。实验结果表明： 当聚合反应温度是 600℃时，三嗪基聚合物的导电性已经足以满足超级电容器电极材料对导电性的要求， 相应的水体系超级电容器也已经表现出很好的容量性能、倍率性能以及循环稳定性，循环30000次比电容保持率为112%（水系电解液）。利用三嗪基聚合物结构的高度可控性，设计合成了一种微孔-介孔搭配的的三嗪基聚合物，并以其作为模型，研究离子液体超级电容器中氮元素掺杂和孔径分布与性能之间的关系。实验结果表明：氮、氧杂原子的引入可以影响材料的导电性能，从而影响材料的超级电容器性能。结果表明，由该材料组装成的超级电容器能量密度最高可达65Wh/kg，循环10000次比电容保持率为98%（离子液体电解液）。因此，有机多孔网络材料不仅可以很好地应用于超级电容领域，而且可以作为更精确的模型结构研究超级电容领域存在的问题并优化相应的性能。.项目负责人在项目执行期间在Nano Energy、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale等期刊共发表SCI论文6篇，EI论文3篇（其中2篇已接收）。获授权专利2项，并参加多次会议进行学术交流，做邀请报告2次，口头报告1次。本项目培养研究生2名。此外在本项目的资助下，项目负责人荣获2018年辽宁省自然科学学术成果奖二等奖，2017年大连市自然科学优秀学术论文一等奖，2017年鞍山市科技进步一等奖，获得2017年“大连市青年科技之星”称号等奖励，指导学生获得2018年获得中国材料大会优秀墙报奖。