SI-eATRP法可控制备亲电解液性超级电容器炭电极材料

Carbon materials are the most promising electrode materials for industrial application, but the specific capacity and energy density are not ideal due to its poor wettability in electrolyte and thus the low effective specific surface area. Electrolyte-friendly carbon electrode materials for supercapacitor by a SI-eATRP method is proposed in this project. It aimed firstly at controlling the polymerization of polymer brush on the material surface by external voltage and catalyst concentration, which may based on the investigation of polymerization kinetics by selecting the different carbon materials and polymerization system. Then, the capacitance performance of the electrolyte-friendly carbon materials, the role of polymer brush on carbon material surface in charging and discharging process, and the mechanism of electrochemical capacitance and the kinetics of electrode process will be studied, respectively. Based on above studies, the carbon materials with hierarchical porous structure and high effective specific surface area will be fabricated to significantly improve the specific capacity and energy density of supercapacitors.

炭材料是基于电极/电解液界面产生的"双电层"来储存能量，是最有应用价值的超级电容器电极材料。但是，炭材料和电解液之间的浸润性差，导致其有效比表面积较低，因而比容量和能量密度低。本项目提出采用SI-eATRP技术在炭材料表面电化学诱导引发可控原子转移自由基聚合，制备亲电解液性超级电容炭电极材料。首先，选择不同的炭材料和聚合反应体系，系统研究炭材料电化学诱导表面引发反应动力学，通过外加电压、催化剂浓度等手段实现精确调控聚合物刷在不同孔结构炭材料表面的生长；然后，系统研究亲电解液性炭材料的电化学性能，探究聚合物分子刷在电极动力学过程中的作用，阐明亲电解液性炭材料的孔径分布与孔隙率对其电化学容量和充放电动力学性能的作用机理；最后，结合SI-eATRP技术和孔结构对亲电解液性炭材料的影响规律，设计、制备同时具有大孔、介孔和微孔的分级多孔结构和高有效比表面积的超级电容器炭电极材料，提高比容量和比能量。

基于炭材料表面惰性导致在电化学储能过程中无法与电解液形成有效浸润，同时毛细现象和表面张力的存在也限制了电解液离子的传输，从而影响炭材料比表面积的有效利用。本课题中针对这个问题，借助于电化学诱导引发原子转移自由基聚合（SI-eATRP）技术在炭材料表面接枝亲水性聚合物分子刷，一方面亲水性聚合物分子刷的亲电解液效应可以使电解液在电极材料表面铺展，有效改善炭材料在电解液中浸润性、增加可利用有效比表面积；另一方面由于聚合物分子刷在电解液中蠕动，有效改善毛细凝聚和表面张力问题，避免由于表面张力和毛细现象等造成的局部无法浸润的问题。首先利用SI-eATRP技术在自合成的互通多孔炭材料（简称为IPC）表面接枝亲水性聚乙烯基吡咯烷酮（简称为PVP），验证该方案具有可实施性，并且研究接枝时间对炭材料电化学性能的影响，确定最佳接枝时间；进而在不同结构炭材料（炭微球、互通多孔炭以及碳纳米管）表面可控制备PVP分子刷，三种炭材料结构上完全不同，且各具特点，对研究材料本身结构对电化学性能的影响是十分有价值的，从而确定适合接枝聚合物改性的炭材料结构；进一步在不同孔结构同种炭材料表面接枝PVP分子刷，研究不同微观结构的炭材料的比表面积和孔径分布的变化规律以及其对炭材料的电化学性能产生的影响，确定适合的孔径结构；最后选定多孔炭材料，对其表面接枝不同聚合物分子刷，如疏水性的聚丙烯腈（PAN），亲水性的聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚对苯乙烯磺酸钠（PSSNa），同种电解液（2 mol/L的KOH溶液）环境中测试，结合不同聚合物的结构特点，得到不同聚合聚合物分子刷对其浸润性和电化学性能的影响规律，将接枝同种聚合物的炭材料在不同的电解液环境（2 mol/L的KOH溶液、1 mol/L的H2SO4溶液和1 mol/L的Na2SO4溶液）中测试，研究不同电解液环境对分子刷的表面电荷的分布，进一步研究了其对电极材料浸润性和电化学性能的影响规律。综合上述结果，本研究为进一步探讨炭材料表面接枝改性的机制奠定了坚实的工作基础。