新型层次孔聚苯乙烯炭材料的免模板法制备及储电性能研究

1. 创新基金答辩 新型层次孔聚苯乙烯炭材料的免模板法制备及储电性能研究 汇报人：曾庆聪 School of Chemistry, SYSU 指导老师：符若文 教授 吴丁财 副教授

2. 2 3 4 5 1 6 研究现状 研究方案及创新之处 实验与讨论 结论 选题意义 致谢 新型层次孔聚苯乙烯炭材料的免模板法制备及电性能表征 School of Chemistry, SYSU

3. Significance of topics 选题意义 超级电容器是一种介于二次电池和普通电容器之间的新型绿色储能器件，具有比电容量大、功率密度高、循环寿命长、使用温度宽、充放电时间短和对环境无污染等特点，已成为国际清洁能源领域的研究热点，也备受各国政府和企业的关注。 其原理是：在直流电下，电化学溶液中性质不同的界面处所产生的正电荷和负电荷分布形成了双电层，从而储存能量。 Direct Immersed LPME 超级电容器器件的核心技术是高性能电极材料的研发。目前首选的电极材料是纳米结构炭材料。 Figure 1. Principle of an electrochemical capacitor School of Chemistry, SYSU School of Chemistry, SYSU

4. Significance of topics 选题意义 • 超级电容器用的纳米炭材料应当具备层次孔结构。如何构建层次孔结构已经成为当今科学研究的热点。科学家们已经的模板法合成层次孔材料上面取得了重大的突破。 孔径层次分布 通道三维连通 高比表面积 大-中孔协同作用 丰富微孔 较大的孔容 School of Chemistry, SYSU

5. Research Status 研究现状 • 现存的层次孔材料构建方法 Figure 2. schematic representation of the 3D hierarchical porous texture. 硬模板法：采用Ni(OH)2/NiO体系的液相无机模板制备层次孔材料 D. W. Wang,et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 373. School of Chemistry, SYSU School of Chemistry, SYSU

6. Research Status 研究现状 • 现存的层次孔材料构建方法 Figure 3. schematic representation of the hierarchical porous phenolic resin. 软模板法： 采用PS-P4VP共聚物作为模板剂制备层次孔材料 S. Valkama, et al. Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 183. School of Chemistry, SYSU

7. Research Status 研究现状 环境不友好 步骤繁琐 硬模板 规模化生产 模板法 模板剂昂贵 软模板 条件苛刻 HOT 耗时长 层次孔材料 环境友好 已实现 无机材料 免模板法 步骤简单 高分子及炭材料 条件易实现 规模化生产 School of Chemistry, SYSU

8. Experiment 实验设计 Nanosphere Mesopore unit Hierarchical porous materials School of Chemistry, SYSU School of Chemistry, SYSU

9. 结果讨论 Results and discussions Figure 6. (a) SEM micrograph of nanospheres separating from emulsion. Figure 5. Intensity size distribution of St-DVB copolymer nanospheres in microlatexes 微乳液合成出具有单分散性（多分散系数PI=0.05）的纳米小球，粒径集中在60nm。 SEM中观察到粒径为60nm左右的纳米小球，与DLS测试结果相符合。 School of Chemistry, SYSU

10. 结果讨论 Results and discussions Figure 7. TEM image of integrated hierarchical nanonetwork of HNP School of Chemistry, SYSU

11. 结果讨论 Results and discussions Figure 8. (b) SEM image showing the morphology of HNP. (d)TEM image showing the situation of forming pores by linking nanospheres. (e)TEM image of hierarchical porous structure in HNP. 经过后交联反应，纳米小球连成球状的高分子凝胶，具有丰富的孔洞结构，层次相连。 微孔产生于小球内部，中孔存在于中孔单元内，中孔单元的不对称连接形成大孔。 微孔-中孔-大孔相互连通，形成层次孔网络。 School of Chemistry, SYSU

12. 结果讨论 Results and discussions Figure 9. (b) SEM image showing the morphology of HNP. (c)SEM micrograph of HPC（HNP after carbonization.） 炭材料都具有丰富的孔洞结构，并且层次相连 炭化后，球形轮廓模糊，边缘部分坍塌 层次孔结构得以保持 School of Chemistry, SYSU

13. 结果讨论 Results and discussions 属于IV 类等温线 在极低相对压力下吸附量迅速上 升证明材料具有丰富的微孔，在 高相对压力下出现滞后回环表明 材料内部还有大中孔 等温吸附曲线形状基本一致， 孔隙保持良好 Figure 10. N2 adsorption isotherms of HNP and HPC School of Chemistry, SYSU

14. 结果讨论 Results and discussions 纳米球内部的微孔主 要分布在0.7和1.4 nm 纳米小球交联形成的 三维网络连续分布， 其中集中分布在40nm 大孔结构作为电解液储 存池以缩短离子扩散距 离，相互连接的中孔结 构提供快速的离子输运 通道，微孔的高静电吸 附容量赋予优异的电化 学储能活性。 Figure 11. DFT pore size distribution of HNP and HPC Table 1. Comparison of textual properties of HNP and HPC School of Chemistry, SYSU

15. 结果讨论 Results and discussions Figure 12. Constant charge and discharge curve Figure 13. Voltammetry characteristics of HPC with sweep rate of 2mV/s,10mv/s,100mv/s Table 2. Effect of sweep rate on the mass specific capacitance (Cm) of representative HPC electrodes School of Chemistry, SYSU

16. 结论 Conclusions 提出了全新的免模板法制备层次孔炭材料的实验思路，即通过纳米交联小球的后交联反应，在小球内部形成微孔，小球与小球之间的紧密连接形成中孔，纳米球的疏松连接形成大孔。在后交联反应中不但形成了层次孔网络，还引入了氧杂原子，使得该网络的炭化过程中得到保持,从而得到层次孔炭材料。 通过免模板法制备得到的层次孔炭材料具有良好的电性能，其传质性能与孔结构和交联桥紧密相关。 School of Chemistry, SYSU

17. 致谢 Acknowledgement 感谢创新化学实验与研究基金 感谢符若文老师、吴丁财老师悉心传授与培育我做学问的方法和精神， 我取得的每一点进步都离不开您们对我的指导和帮助。在此，向两位老师 致以最诚挚的谢意！ 感谢实验室各位师兄师姐、师弟师妹及同学平时对我的关心、帮助和 支持！ 曾庆聪 2009.06.19 School of Chemistry, SYSU

18. Thank You !