[00139786]面向環境與能源的高分子材料結構性能調控機制

隨著科技進步和社會發展,環境污染、化石燃料枯竭等環境與能源問題日趨嚴峻。因此,環境與能源是當前乃至今后國際研究的前沿領域和重點領域。高分子材料是國民經濟的重要基礎性和先導性產業,其合成、應用、退役與環境能源息息相關,直接關系到社會經濟可持續發展。 自上世紀高分子材料大規模合成應用以來,加速了化石燃料的消耗,引發能源危機,同時高分子材料廢棄后造成白色環境污染,影響社會經濟可持續發展。一個重要的解決途徑就是開發利用生物降解高分子材料。聚乳酸具有優異的力學強度、成型加工性和生物降解性,在眾多生物降解高分子材料中脫穎而出。因此,開發利用聚乳酸能夠緩解全球環境和能源問題,有利于社會經濟可持續發展。然而,聚乳酸存在結晶速率較慢,熔點較低和親水性較差等缺點,限制了其在相關領域的應用。因此,對聚乳酸材料微觀結構進行研究與調控,進而改善其使用性能是十分必要的。 發展新能源汽車是我國邁向汽車強國的必由之路。新能源汽車不僅能夠緩解化石燃料枯竭所引起的能源危機,還能夠有效減少污染物排放、降低環境污染。鋰電池和超級電容器是新能源汽車的主要動力來源。目前廣泛使用的聚烯烴隔膜具有電解液浸潤差、耐熱溫度低等缺點,容易誘發鋰枝晶、消耗電解液、起火爆炸等,嚴重影響鋰電池的壽命和安全性。相比于鋰電池,水系超級電容器/電池具有功率密度大、安全性能高等優點,但其比容量與能量密度卻較低。因此,開發儲能用新型高分子隔膜/電極,對新能源汽車產業發展具有重大而又深遠的意義。 本項目系統深入研究了生物降解高分子材料（聚乳酸）和儲能用新型高分子隔膜/電極的結構與性能調控機制,取得了多項原創性成果,為發展面向環境與能源應用的高分子材料的研究與應用提供了理論基礎。主要研究成果如下： 1.生物降解聚乳酸結構調控及高性能化 研究成型加工過程中聚乳酸結晶轉變與結構性能調控、立構復合結晶機制以及納米纖維膜成形與形態調控。從分子水平上闡明了非晶結構的演化及其結晶轉變規律,發展了多種立構復合結晶調控方法,闡明了立構復合結晶與分子間擴散的內在關系,揭示了分子鏈拓撲形態及結構轉變機制,建立了聚乳酸納米纖維形態調控新手段,拓展了聚乳酸在油水乳液分離的應用,建立了節能環保分離新方法,為聚乳酸高性能化提供科學依據。 2.儲能用新型高分子隔膜/電極 創新性采用三維納米纖維網絡包裹無機納米粒子,得到高無機負載量的柔性復合隔膜,為高安全、高性能鋰電池隔膜開發提供了新思路。利用纖維素調控活性材料形態結構,開發高性能柔性電極,基于原位拉曼光譜深化了儲能機制,同時發展了不同維度和組裝結構的水系電池,為高性能柔性儲能器件設計提供了新方法,拓展高分子材料在能源領域的應用。