碳泡沫结构重整及其表面功能化研究

碳泡沫是由无定形碳或石墨组成的具有网架结构的固态碳材料，拥有许多独特的性质，在航空航天和核电冷却热控材料、微电子器件、吸附、催化、电极材料等方面具有广阔应用前景，目前的碳泡沫普遍存在机械性能不高、表面性能和电化学性能欠佳以及石墨化条件极其苛刻等问题，迫切需要高强度、高热导率以及表面性能和电化学性能优越的碳泡沫。本项目拟通过在制备过程中引入适宜的金属元素作为石墨化促进剂，以硅源作为前驱体骨架结构支撑剂，实现对碳泡沫的结构重整，使碳泡沫微结构更为优化而具有更高的机械强度和导热性能；在碳源中引入活性组分使碳泡沫表面功能化以优化碳泡沫的表面性能和电化学性能；通过结构与特性关系以及结构重整和表面功能化过程中表面状态和微晶参数变化，揭示结构重整和表面功能化的作用机制，实现高性能功能化碳泡沫的制备；研究表面功能化碳泡沫的比电容特性与表面功能化条件关系的规律性，为碳泡沫的基础研究和实际应用奠定基础。

碳泡沫是由无定形碳或石墨组成的具有网络结构的固态碳材料，它拥有许多独特的性质，具有广阔的应用前景。目前碳泡沫普遍存在着机械性能不高、表面性能和电化学性能欠佳以及石墨化条件极其苛刻等问题，考虑到碳泡沫作为电极材料在动力电池和储能器件领域将具有巨大的应用潜力，本项目在执行过程中，重点开展碳泡沫的结构控制与重整及表面功能化，及其对表面性能和电化学性能影响规律性研究。在碳泡沫结构控制方法研究方面，应用乳液法制备大孔-微孔碳泡沫，调控多孔碳材料形貌，提出了催化剂对乳液结构和碳材料形貌影响的机理；利用乳液相转变原理，通过乳液-水热-活化法制备介孔碳泡沫微球材料，获得电化学等性能与制备条件之间关系的规律性；提出了用种子法合成多孔纳米碳球和基于金属-有机配位聚合物制备微孔碳的新思路；同时应用乳液与纳米二氧化硅双模板法制备碳泡沫，使得到的碳泡沫的机械强度有所提高。实现了对有序介孔碳泡沫氟表面功能化，通过对碳泡沫进行表面氮功能化制备出富氮大孔/介孔碳泡沫，通过含氮十钒酸盐引入钒和氮元素的方法合成了有机-无机纳米多孔杂化碳泡沫；研究了表面功能化的作用机制，实现了通过碳泡沫表面功能化改善表面润湿性能和电化学性能，提高碳泡沫比电容特性的方法。研究金属元素石墨化促进剂（如钒、锰等）对有序介孔碳泡沫的结构重整以及镍、钴和锰等过渡金属对介孔碳泡沫微球的结构重整，提高了介孔碳泡沫材料的石墨化度、导电性能和比电容值，获得对碳泡沫的泡孔结构、导电性能和比电容特性的影响规律性；在碳泡沫中引入三核钴氧簇合物纳米粒子合成含钴介孔碳泡沫，使得介孔碳泡沫的电化学性能得到明显提高；利用熔融钠对碳材料的结构重整，实现了对无定形碳的低温石墨化，通过对热解炭的相结构和微结构的相变特征及其机理研究，揭示了金属钠对热解炭结构重整中的相结构和微结构变化规律及其作用机理。利用生物质纤维（如香蕉皮）孔的微细结构，通过金属离子与其形成复合物并引入聚合物单体的方法，构筑出具有高倍率充放电性能的分级孔碳泡沫。此外，本项目还开展了异金属钛氧簇的合成以及基于钛氧簇合成纳米多孔杂化碳泡沫的研究，制备的样品在可见光范围内具有异常高的光催化活性。本项目制备的多种碳泡沫表现出了相当优异的电化学性能，能够满足脉冲大电流充放的需求，作为大容量高功率密度储能器件的电极材料将具有巨大的应用前景。