碳泡沫結構重整及其表面功能化研究

《碳泡沫結構重整及其表面功能化研究》是依託同濟大學，由甘禮華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：碳泡沫結構重整及其表面功能化研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：甘禮華
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

碳泡沫是由無定形碳或石墨組成的具有網架結構的固態碳材料，擁有許多獨特的性質，在航空航天和核電冷卻熱控材料、微電子器件、吸附、催化、電極材料等方面具有廣闊套用前景，目前的碳泡沫普遍存在機械性能不高、表面性能和電化學性能欠佳以及石墨化條件極其苛刻等問題，迫切需要高強度、高熱導率以及表面性能和電化學性能優越的碳泡沫。本項目擬通過在製備過程中引入適宜的金屬元素作為石墨化促進劑，以矽源作為前驅體骨架結構支撐劑，實現對碳泡沫的結構重整，使碳泡沫微結構更為最佳化而具有更高的機械強度和導熱性能；在碳源中引入活性組分使碳泡沫表面功能化以最佳化碳泡沫的表面性能和電化學性能；通過結構與特性關係以及結構重整和表面功能化過程中表面狀態和微晶參數變化，揭示結構重整和表面功能化的作用機制，實現高性能功能化碳泡沫的製備；研究表面功能化碳泡沫的比電容特性與表面功能化條件關係的規律性，為碳泡沫的基礎研究和實際套用奠定基礎。

結題摘要

碳泡沫是由無定形碳或石墨組成的具有網路結構的固態碳材料，它擁有許多獨特的性質，具有廣闊的套用前景。目前碳泡沫普遍存在著機械性能不高、表面性能和電化學性能欠佳以及石墨化條件極其苛刻等問題，考慮到碳泡沫作為電極材料在動力電池和儲能器件領域將具有巨大的套用潛力，本項目在執行過程中，重點開展碳泡沫的結構控制與重整及表面功能化，及其對表面性能和電化學性能影響規律性研究。在碳泡沫結構控制方法研究方面，套用乳液法製備大孔-微孔碳泡沫，調控多孔碳材料形貌，提出了催化劑對乳液結構和碳材料形貌影響的機理；利用乳液相轉變原理，通過乳液-水熱-活化法製備介孔碳泡沫微球材料，獲得電化學等性能與製備條件之間關係的規律性；提出了用種子法合成多孔納米碳球和基於金屬-有機配位聚合物製備微孔碳的新思路；同時套用乳液與納米二氧化矽雙模板法製備碳泡沫，使得到的碳泡沫的機械強度有所提高。實現了對有序介孔碳泡沫氟表面功能化，通過對碳泡沫進行表面氮功能化製備出富氮大孔/介孔碳泡沫，通過含氮十釩酸鹽引入釩和氮元素的方法合成了有機-無機納米多孔雜化碳泡沫；研究了表面功能化的作用機制，實現了通過碳泡沫表面功能化改善表面潤濕性能和電化學性能，提高碳泡沫比電容特性的方法。研究金屬元素石墨化促進劑（如釩、錳等）對有序介孔碳泡沫的結構重整以及鎳、鈷和錳等過渡金屬對介孔碳泡沫微球的結構重整，提高了介孔碳泡沫材料的石墨化度、導電性能和比電容值，獲得對碳泡沫的泡孔結構、導電性能和比電容特性的影響規律性；在碳泡沫中引入三核鈷氧簇合物納米粒子合成含鈷介孔碳泡沫，使得介孔碳泡沫的電化學性能得到明顯提高；利用熔融鈉對碳材料的結構重整，實現了對無定形碳的低溫石墨化，通過對熱解炭的相結構和微結構的相變特徵及其機理研究，揭示了金屬鈉對熱解炭結構重整中的相結構和微結構變化規律及其作用機理。利用生物質纖維（如香蕉皮）孔的微細結構，通過金屬離子與其形成複合物並引入聚合物單體的方法，構築出具有高倍率充放電性能的分級孔碳泡沫。此外，本項目還開展了異金屬鈦氧簇的合成以及基於鈦氧簇合成納米多孔雜化碳泡沫的研究，製備的樣品在可見光範圍內具有異常高的光催化活性。本項目製備的多種碳泡沫表現出了相當優異的電化學性能，能夠滿足脈衝大電流充放的需求，作為大容量高功率密度儲能器件的電極材料將具有巨大的套用前景。