多级孔可控的氮掺杂碳气凝胶的绿色制备及其在超级电容器中的应用基础研究

Carbon aerogel, a kind of porous carbon material with three-dimensional network structure, has the advantages of high porosity, high specific surface area and good conductivity, which is considered as the ideal electrode materials for supercapacitors. Unfortunately, the application of carbon aerogel currently faces some problems, such as complex preparation process, uncontrollable pore structure, and unclear pore-formation mechanism. Considering these key issues, this project intends to develop nitrogen-doped carbon aerogels with controllable porous structures by selecting water-soluble poly(amic acid) with high char yield as the carbon aerogel precursor, carbon nanomaterials as crosslinking agent, and inorganic salts as coordinating agent. This is a simple, efficient and green method for preparing carbon aerogels as electrode materials for supercapacitors. In addition, the physical and chemical interactions between carbon nanomaterials as crosslinking, pore-tailoring agents and reinforcing fillers, inorganic salts as coordinating agent, catalyst and porogen and polymer precursor, will be well studied to reveal the formation mechanism of hierarchical porous structures. Furthermore, the relationship between the structure/morphology and electrochemical properties of the as-prepared nitrogen-doped carbon aerogels will be intensely explored. Through the implementation of this project, it is expected to provide useful reference and database for the development and application of nitrogen-doped carbon aerogels with unique electrochemical performance.

碳气凝胶是一种具有三维网络结构的多孔碳材料，具有高孔隙率、高比表面积、高导电性等优点，被认为是一种理想的超级电容器电极材料。针对目前碳气凝胶制备工艺繁琐、孔隙结构不可控、多级孔形成机理尚不明晰等关键问题，本项目基于申请人在高分子复合气凝胶研究的基础上，提出一种简单、高效、绿色制备碳气凝胶的新方法，使用含氮的水溶性聚酰胺酸作为碳气凝胶前驱体，利用碳纳米材料的交联作用与金属离子的配位络合作用，实现凝胶-碳化后材料多级孔结构的可控构筑，从而获得具有多级孔（大孔-介孔-微孔）结构的氮掺杂碳气凝胶材料。在此基础上，深入研究碳纳米材料作为交联剂、调孔剂和增强相，金属无机盐作为配位剂、催化剂和造孔剂，及其与聚合物前驱体在凝胶过程中的相互作用，揭示多级孔结构的形成机理，建立碳气凝胶的微观结构-电化学行为之间的构效关系，为具有优异电化学性能的氮掺杂碳气凝胶的研发及其在超级电容器中的应用奠定理论和实践基础。

碳气凝胶是一种具有三维网络结构的多孔碳材料，具有高孔隙率、高比表面积、高导电性等优点，被认为是一种理想的超级电容器电极材料。针对目前碳气凝胶制备工艺繁琐、孔结构不可控、多级孔形成机理尚不明晰等关键问题，本项目围绕氮掺杂碳气凝胶方面开展了深入系统的研究工作，提出了一种绿色高效制备碳气凝胶的新方法，构筑了具有多级孔结构的氮掺杂碳气凝胶，获得了具有优异电化学性能的碳气凝胶基电极材料。主要研究成果包括：(1) 使用含氮的水溶性聚酰胺酸作为碳气凝胶前驱体，通过溶胶-凝胶、冷冻干燥、高温碳化等工艺过程，制备了新型氮掺杂碳气凝胶材料，发展了绿色高效制备多级孔可控的氮掺杂碳气凝胶的新方法；(2) 以碳纳米材料同时作为交联剂、调孔剂和增强相，以金属盐作为配位剂、催化剂和造孔剂，构筑出了兼具大孔-介孔-微孔多级孔结构和超高比表面积的氮掺杂碳气凝胶，实现了微观孔结构的可控调节；(3) 利用3D打印技术制备了宏观结构可控的碳气凝胶，构筑了具有快速电子和离子传输路径的自支撑结构电极，发展了一种具有高面积容量的超级电容器用电极材料。本项目通过改善导电性、微观孔结构和宏观结构三个方面来对聚酰亚胺基碳气凝胶进行功能化改性，获得了具有高倍率性能、高能量密度、高面积容量的碳气凝胶基电极材料，深入研究了碳气凝胶的微/宏观结构与电化学行为之间的构效关系，为具有优异电化学性能的氮掺杂碳气凝胶的研发及其在超级电容器中的应用奠定了基础。