离子液体合成有序中孔炭的结构调控及性能研究

高比表面积、有序的中孔炭材料可广泛应用于能量存储、气体和液体的环境净化吸附、催化和医药等领域，因此备受科学研究者的青睐。本项目旨在通过构建不同离子液体与炭前驱体的匹配体系，利用有机-有机自组装技术制备高比表面积、有序的中孔炭，确立制备中孔炭的最佳工艺路线，研究离子液体种类、接枝官能团、pH值以及其它工艺参数对中孔炭孔结构的影响，揭示孔结构的形成机理。并以此为指导考察中孔炭在不同电解液中的电化学性能，研究中孔炭的比表面积、孔结构与电化学电容的关系，进而揭示其充放电机理。本项目不仅为制备有序中孔炭提供一条崭新的途径，也可促进化学、材料、能源与环境等多学科的交叉融合，具有重要的学术意义和应用价值。

本项目以Resol酚醛树脂作为炭前驱体、离子液体作为模板剂制备中孔炭材料。首先筛选了两种比较合适的离子液体，详细考察了两种离子液体作模板剂对中孔炭比表面积、孔径及有序度的影响，进而考察了其电化学性能。进而，采用溶胶凝胶技术制备了高比表面积中孔炭，研究了间苯二酚、甲醛和离子液体的比例、pH值等工艺参数对制备的中孔炭的物理性质及电化学性能的影响。在此基础上，利用离子液体能够与稀土金属发生络合作用的机理，以Resol酚醛树脂为炭前驱体、离子液体与稀土金属作为共模板，合成了高比表面积中孔炭。详细考察了离子液体与稀土金属的络合比例对所制备中孔炭比表面积、孔结构等物理性质的影响，进而考察了其电化学性能。本论文主要得出如下结论：.1. 筛选不同离子液体与Resol型酚醛树脂进行配比，发现[C16IM]Br与Resol酚醛树脂的结合力较弱，炭化后难以形成有序的孔结构。但PEG1000-DIL由于存在大量的氧原子，能与Resol酚醛树脂的-OH形成氢键，有利于保持孔的有序结构，因此，能够形成有序中孔炭。采用[C16IM]Br和PEG1000-DIL均能得到高中孔率的中孔炭，其中当Resol酚醛树脂与PEG1000-DIL按质量比为1:2进行匹配时得到的中孔炭的物理性质最佳，其比表面积、总孔容及平均孔径分别为346m2/g、0.36cm3/g、4.16nm。比电容随中孔炭比表面积的增加而提高，同时中孔炭的平均孔径越大，倍容速率越高。.2. 采用溶胶凝胶聚合法能够制备出高比表面积的中孔炭。随着甲醛与间苯二酚的摩尔比的增加，比表面积和孔径随之增大，最大值分别为407m2/g和2.8nm。所得中孔炭具有良好的双电层电容特性，获得的最大比电容可达84F/g。.3. 采用离子液体与稀土金属作共模板剂制备出高比表面积的中孔炭。当稀土金属与离子液体的摩尔比为2时，制得的中孔炭具有最大的比表面积和平均孔径，分别为825m2/g和4.6nm。中孔炭的最大比电容及比能量可达188F/g、17.11Wh kg-1。