面向能源存储的高氮掺杂规则微孔碳球的设计合成

Porous carbon spheres show important prospects in energy storage and conversion systems. In the early stage of this project, the applicant proposed a general strategy to synthesize high-level N-doped, regularly microporous carbon spheres (N-MCSs) via Schiff-base chemistry. This project aims: (1) to systematically research the effect of synthetic methods and conditions on the morphology, pore structure and nitrogen content of the carbon spheres; (2) to carry out the low temperature graphitization of the materials to optimize their microcrystalline structure, and finally to improve the kinetics of ion transport and conducting channel; (3) to design and synthesize N-MCSs with six features of regular geometry, high-level nitrogen content, excellent surface wettability, superior conductivity, regular micropore and high specific surface area; (4) to research the relationship of synthesis-structure-electrochemical performance of N-MCSs to establish the key preparation technology of carbon-based supercapacitor electrode materials with high energy and power density and superior cycle stability; (5) and finally to develop new methodologies for the structural design and controllable synthesis for new carbon-based materials. The project takes energy storage as the core, materials synthesis as the foundation, and pays much attention to the methodology research of surface structure/microstructure design of materials to solve the key scientific and technical problems of carbon-based materials in efficient energy storage and utilization, and to promote the R & D process of key and new materials oriented by the demand of national energy strategy.

多孔碳球在能源存储/转换等领域具有重要应用前景。项目前期，申请人提出了一种利用席夫碱化学合成高氮掺杂规则微孔碳球的通用方法。本项目拟系统开展合成方法和条件对碳球形貌、孔结构和含氮量的影响规律，开展材料低温催化石墨化研究，优化材料的微晶结构，改善电解质离子输运和导电通道的动力学行为，设计合成出集形貌规则、高含氮量、表面润湿性能和导电性能优越、具有规则微孔结构以及高比表面积六大特性于一体的高氮掺杂规则微孔碳球；开展材料合成-结构-电化学性能关系的规律性研究，建立具有高能量密度和功率密度、优异循环性能的碳基超级电容器电极材料关键制备技术，发展新型碳基材料的结构设计与可控合成方法学。本项目以能源存储为核心，以材料合成为基础，侧重材料表面结构/微结构设计方法学研究，解决碳基材料在能源高效存储和利用方面的关键科技问题，促进面向国家能源战略需求的关键新材料的研发进程。

项目以能源存储为核心，系统开展合成方法和条件对规则微孔碳球的形貌/孔结构的影响规律，利用富氮基团构筑的有机聚合框架，基于醌胺聚合、动态席夫碱共聚、溶剂溶解度参数导向、“质子盐”自组装等策略，发展了规则微孔碳球及其衍生碳超结构材料的设计合成方法学；通过赝电容活性单元设计、框架组成固化/预稳定、Lewis酸-碱对诱导等表面功能化方法，促进了高氮掺杂规则微孔碳球材料中嗜锌位点的高效利用和低反应能垒的快速离子输运，设计合成出集形貌规则、规则微孔结构、高比表面积、高含氮量、表面润湿性能和导电性能优越六大特性于一体的高氮掺杂规则微孔碳球（N-MCSs）电极材料；聚焦电极与电解质的兼容性研究（孔-离子适配、凝胶电解质联合设计、界面动力学），通过材料表面结构/微晶结构调控以改善电解质离子存储行为及电荷传导通道，揭示了有机电极中电解质离子共嵌插电荷存储机制，为解决电极材料在高效储能中的应用提供依据。项目执行过程中，解决了N-MCSs合成过程中形貌/孔结构控制和表面功能化调控和集成中的一些基础科学问题，揭示了N-MCSs结构设计及表面修饰作用机制，掌握了集形貌规则、规则微孔结构、高比表面积、高含氮量、表面润湿性能和导电性能优越六大特性于一体的N-MCSs的合成方法；研究了N-MCSs电化学性能与合成参数、微观结构、表面润湿性能和导电性能之间关系的规律性，掌握了结构可控、高含氮量、表面润湿性能、导电性能和电化学性能优越（高能量密度和功率密度、优异循环性能）的N-MCSs的关键合成方法。本项目的实施发展了N-MCSs的设计合成方法学，解决了N-MCSs作为超级电容器电极材料在能源高效存储和利用方面的关键科技问题。N-MCSs及其衍生超结构电极材料的设计合成，凸现出了材料的高性能和高性价比等功效，为推动基于N-MCSs的先进功能材料的可控合成、结构优化及其应用基础研究的不断发展打下了扎实基础。