基于蜜胺泡棉双碳层多孔材料的构建及电化学性能研究

This project mainly focuses on the structural design and electrochemical performance of melamine sponge （MS） derived three-dimensional materials with hierarchical pores and double carbon layers. Carbonized MS can form nitrogen-doped carbon as three-dimensional skeleton whereas furfuryl alcohol(FA), glucose or zeolitic imidazolate frameworks(ZIFs) coated onto the surface of melamine wires to form porous carbon as second carbon layer wrapping the three-dimensional N-doped carbon skeleton. Through choosing different coating materials and controlling synthesis or carbonization conditions, the second layer exhibits different structures or components including porous carbon, porous metal oxides wrapped by carbon or carbon nanotubes. Compared to other porous carbon, nitrogen-doped carbon formed by carbonization of MS has many merits such as higher conductivity, higher mechanical properties and higher porosity with regular pore structure. The second carbon layer formed by FA, glucose or ZIFs can introduce micropores into carbonized MS to make such materials with hierarchical pores. Moreover, by coating such materials onto the surface of MS can decrease the nitrogen loss during carbonization and enhance the carbon yield. Due to the above-mentioned novel structure, such materials should have high electrochemical performance and can be used as high-performance electrode for supercapacitors.

项目以蜜胺泡棉为基体，通过包裹糠醇、糖类或不同类型的沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs）得到具有多级孔结构和双碳层结构的三维材料。该三维材料以炭化的蜜胺泡棉形成的氮掺杂炭作为骨架，外表面包裹材料炭化可分别获得富含微孔/介孔的多孔炭、多孔炭包裹金属氧化物或碳纳米管等结构的包裹层。蜜胺泡棉炭化得到的炭骨架结构与一般炭材料（如活性炭等）相比，具有更高的导电性，极高的孔隙率（>99%）和大孔结构（便于电解液与活性材料的接触），较高的氮掺杂含量，以及较高的柔韧性（可直接做柔性电极）。而包裹材料在炭化后弥补了直接炭化蜜胺泡绵所存在的微孔缺失，得炭率低和氮损失等缺点。总之，该类复合材料充分结合了蜜胺泡棉和包裹材料的优势，克服了目前上述单一材料作电极所存在的缺点。通过对材料结构和组成的设计，使该类材料具有高比表面积、高的氮掺杂含量、高导电性等优点，可极大提高材料的电化学特性。

项目基于炭化蜜胺泡绵的柔性自支撑特性，通过浸渍碳源（如墨水和糠醇）、负载金属有机骨架材料后炭化硫化或磷化以及直接生长硫化钴三种途径对炭化蜜胺泡绵进行处理，得到一系列具有高电化学活性的柔性电极材料，用于可弯曲超级电容器以及锂离子电池领域。蜜胺泡绵是一种商业化的环保廉价的多孔材料，其炭化后可维持原有的柔性和三维骨架结构，且形成的氮掺杂碳具有一定的电化学特性。但由于其比表面低且导电性差等缺点，限制了其电化学应用。项目通过引入合适的材料进行负载与改性，提高炭化蜜胺泡绵的比表面积，丰富孔道结构（多级孔结构），调控并优化组分（如调控氮含量和种类以及引入金属硫化物等）的同时，维持炭化蜜胺泡绵本身优异的柔性与自支撑特性。所制备的复合材料，不仅展现出良好的电化学特性（高的比容、倍率性能以及循环性能等），且在弯曲等状态下依然保持较高的电化学性能，可作为柔性电极制备柔性和可弯曲电池。此外，经过该项目的研究，进一步了解材料特性、孔道结构与电化学性能之间的关联，为高性能电极材料设计以及多级孔材料和柔性自支撑材料的合成提供经验。