新型粉末状炭气凝胶的可控制备与性能研究

In this project, we will develop a methodology for fabrication of novel powdery carbon aerogels based on intra/inter-sphere hypercrosslinking of monodisperse poly(styrene-co-divinylbenzene) （PSDVB）nanosphere, which is synthesized by (micro)emulsion polymerization. This methodology has four advantages: (1) facilitate scale-up because of no explosive polymerization; (2) enable drying at ambient pressure; (3) bypass ball milling since product is micron-scaled powder; and (4) enable precise design and control for aerogel nanostructure. The role of PSDVB nanosphere in the process of formation of aerogel nanostructures via hypercrosslinking will be studied, and the carbonization mechanism of aergoel nanostructure will be revealed. As a result, the design and control principles of nanostructures for powdery carbon aerogels and their precursory organic aerogels will be elucidated. On the basis of controllable preparation, their adsorption/release performance as well as electrochemical property will be studied, and then will be related with their unique aerogel nanostructures. In conclusion, this project will greatly develop preparation science theories of carbon aerogel materials, demonstrating important theoretic significance and application value.

本项目拟通过（微）乳液聚合法合成单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯（PSDVB）纳米球，然后利用超交联法进行球内和球间交联，制备新型粉末状炭气凝胶。该（微）乳液聚合-超交联法的优势体现在（1）合成过程无爆聚现象，易于工艺放大；（2）可常压干燥；（3）产品是微米级粉末，免球磨；和（4）气凝胶纳米结构可精确调控。本项目拟着重研究PSDVB纳米球在超交联形成气凝胶纳米结构过程中的作用机制，阐明气凝胶纳米结构的炭化机理，建立粉末状炭气凝胶及其有机气凝胶前驱体的纳米结构设计与调控规律。在可控制备的基础上，弄清这些新材料的吸附缓释、电化学等性能，并与其独特的气凝胶纳米结构相关联。本项目将有力地促进炭气凝胶材料的制备科学进步，具有重要的理论意义和应用价值。

炭气凝胶是一类具有三维纳米网络结构的新型多孔炭材料，在能源、环境、催化和化工等领域拥有广泛的应用前景。然而，现有炭气凝胶通常采用溶胶-凝胶法制备，存在易爆聚、超临界/冷冻干燥成本高、块状产物的网络单元结构不精确且使用前常需球磨成粉末等瓶颈问题。有鉴于此，本项目致力于炭气凝胶材料的创新结构设计、先进制备及其构效关系研究。我们利用（微）乳液聚合法合成出的单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯（PSDVB）纳米球作为反应原料，经超交联和常压干燥后获得粉末状有机气凝胶前驱体，随后经高温炭化，制备得到新型粉末状炭气凝胶。我们系统研究了单分散PSDVB纳米球的合成条件—纳米结构关系；阐明了PSDVB纳米球的分子结构和纳米结构与有机气凝胶的三维纳米网络结构的关联性，从而建立了有机气凝胶的结构设计和可控合成规律；实现了气凝胶纳米网络结构的炭化稳定性，进而揭示了炭气凝胶的可控制备理论；考察了各层次孔结构和骨架表面化学结构在吸附缓释、电化学充放电等过程的作用机制及协同效应，从而厘清了有机气凝胶和炭气凝胶的结构-性能关系。除了上述PSDVB纳米球，我们还利用其他苯乙烯系聚合物纳米材料设计合成了多种新型有机气凝胶和炭气凝胶。此外，我们还发展了若干新型多孔高分子和多孔炭材料。在本项目资助下，项目负责人以通讯作者在Nat Commun、J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed、Adv Mater、Mater Today、Chem Sci和Energy Environ Sci等期刊发表SCI论文38篇，获授权专利12件。项目执行期间，项目负责人获得国家优秀青年科学基金资助，并入选国家“万人计划”青年拔尖人才。