纤维素复合气凝胶的可控制备及其超电容性能研究

Preparation of cellulose aerogels with advanced functions has being a research focus, and enlarge their application fields has becoming one of the biggest challenges. This project will be focused on the preparation and characterization of cellulose based composite aerogels and their electrochemical performances in supercapacitors. In this project, cellulose nanofibrils will be used as templates, and through a sol-gel method combining with in situ synthesis, inorganic oxides nanopaericles will be synthesized on the surfaces of cellulose nanofibrils, and cellulose composite aerogels will be obtained. The influences of the preparation methods, reaction conditions, as well as the kind of inorganic precusors on the size, content and distribution of the resulting inorganic nanoparticles in aerogels will be investigated. The effects of the porosity and pore size distribution of the aerogels on the supercapacitor performance will be characterized in detail. The mechanism and relationship between the microstructure and supercapacitor behavior of the composite aerogels will be clarified. Based on the research results, we will present a novel method with the advantages of simple process, low-cost for the preparation of cellulose aerogels based electrode materials with absorbing supercapacitic performance, opening up new application fields in new energy for cellulose based materials.

制备具有先进功能的纤维素气凝胶材料是纤维素科学研究的热点，而扩大其应用领域也是当前面临的最大挑战之一。本项目针对纤维素复合气凝胶材料的制备及其在超电容电极材料中的应用开展系统的研究工作。以纤维素纳米纤维为模板，通过溶胶-凝胶与原位合成相结合的方法，在其表面可控生成金属氧化物纳米粒子，制备纤维素复合气凝胶材料。通过不同的制备方法、反应条件以及金属氧化物前驱体的种类等调节无机纳米粒子在纤维素纳米纤维表面上的尺寸、含量和分布；研究无机纳米粒子与纤维素纳米纤维之间的相互作用，阐明其对复合气凝胶微观结构的影响。系统研究气凝胶材料的孔径分布和孔隙率与其超电容性能之间的关系；探讨气凝胶的微观结构对其电化学性能的影响，弄清其储能机理并总结影响规律。在此基础上，提出一种制备具有高性能的纤维素复合气凝胶基超级电容器新电极材料的新方法，扩大纤维素在新能源领域中的应用。

通过以再生纤维素纳米纤维为模板，通过溶胶-凝胶与原位合成相结合的方法制备纤维素复合导电气凝胶，并将其作为超级电容器电极，研究其微观结构与超电容性能之间的关系，探讨复合气凝胶的储能机理并弄清其影响规律。研究内容分为三部分：.(1) 以再生纤维素纳米纤维为模板，采用溶胶-凝胶和原位合成相结合的方法，在水相或有机相体系中制备金属化合物/纤维素复合气凝胶材料。通过改变纤维素水凝胶的微观结构或无机纳米粒子前驱体的种类和浓度来改变所制得的复合气凝胶的孔径分布和孔隙率，研究无机纳米粒子与气凝胶网络之间的相互作用，实现其微观结构的可控调节。研究金属氧化物纳米粒子对复合气凝胶的孔径分布和孔隙率的影响，以及复合气凝胶的微观结构与其超电容性能之间的关系；.(2) 通过原位聚合的方法，以纤维素纳米纤维为模板，引入聚苯胺，聚吡咯，石墨烯等导电基元制备导电复合气凝胶。研究导电组分的引入对复合气凝胶的性能的影响，弄清复合气凝胶的微观结构与其超电容性能之间的关系；.(3) 结合（1）和（2）的方法，以所制备的导电纤维素复合气凝胶为电极材料，通过电化学沉积的方法在其表面引入无机金属化合物。对比研究所制得的纤维素复合气凝胶的结构和性能，弄清复合气凝胶的微观结构与其超电容性能之间的关系。.在此基础上，系统研究纤维素复合气凝胶材料的孔径分布和孔隙率与其超电容性能之间的关系；探讨气凝胶的微观结构对其电化学性能的影响，弄清其储能机理以及影响规律。为制备具有制作简单、成本低廉、性能优良的纤维素复合气凝胶基超级电容器新电极材料提供科学支撑。