蠕虫状中孔炭材料(WMCs)是近年来迅速发展起来的一种新颖纳米炭材料，通常采用一步硅凝胶模板法制备得到，其孔隙来自硅凝胶的三维网络骨架并呈现蠕虫状形貌，具有高比表面积和大孔容，在能源、环保、催化等领域具有广泛的应用前景。迄今为止，该类炭材料有两个方面值得深入研究：(1)在炭骨架上引入含氮官能团。含氮基团可增强材料电化学活性及对电解液浸润性，而目前蠕虫孔炭材料通常选用糠醇、环糊精、蔗糖等作为炭源，其炭骨架几乎没有含氮官能团；(2)扩展疏水性炭源。现有的硅凝胶体系通常采用水或乙醇水溶液作为反应介质，因此炭材料领域中常见的疏水性聚合物无法引入硅凝胶反应体系，从而限制了WMCs骨架微观结构的多样性。因此，对这两方面的研究很有理论和应用意义。　　 本论文围绕蠕虫孔炭材料结构和制备方法的改进和创新，紧紧抓住原料与纳米结构控制这一问题进行展开，制备了富氮蠕虫孔炭材料，并开发了有机相凝胶法制备蠕虫孔炭材料。采用SEM、TEM、N2吸附、XRD、FTIR、TGA和Raman光谱仪等现代分析手段对材料的制备原理及纳米结构控制进行了深入研究；采用IM6e电化学工作站、Arbin超电容测试系统和Land电池测试系统等对材料的电化学性能进行评价，初步探索了在储能方面的应用。　　 1.含氮蠕虫状纳米孔炭材料的水相凝胶体系制备　　 以三聚氰胺-甲醛水溶性预聚体为炭源、正硅酸乙酯(TEOS)为模板、硫酸为催化剂成功地制备了密胺树脂基蠕虫孔炭材料，在炭骨架上引进了含氮官能团，含氮量高达32.8％。得到的材料具有蠕虫状孔结构，N2吸附测试表明材料为典型的中孔材料，BJH孔径约为4.7 nm。　　 通过炭化温度可以调节炭材料的纳米结构和表面化学性质。随炭化温度升高，密胺树脂基中孔炭材料的比表面积和中孔孔容增大，比表面积从600℃时的110 m2g-1增大到800℃时的521 m2g-1。相反，材料中N元素含量下降，由600℃的32.8％降到900℃的11.4％。此外，改变凝胶复合物中炭源和模板的比例也可以实现对材料纳米结构的调控，同时还可以通过加入HF调节材料的孔结构。　　 2.蠕虫状纳米孔炭材料的有机相凝胶法制备　　 开发了一种全新的有机相凝胶化反应体系，即四氢呋喃(溶剂)-石油沥青(疏水性炭源)-TEOS和水(硅凝胶模板反应物)-HF(催化剂)。科学地利用硅凝胶模板与炭源亲疏水性差异及过量凝胶骨架的局域塌陷，进而硅凝胶堆叠形成纳米颗粒的原理，成功地在三维蠕虫状中孔网络中均匀地引入了较大尺寸的中孔。不但解决了长期以来疏水性聚合物基蠕虫孔炭材料无法利用一步模板法合成的难题，还解决了传统蠕虫孔炭材料传质特性较差的问题。　　 得到的石油沥青基炭材料具有独特的纳米结构，既有蠕虫状3-4 nm的小中孔，又有颗粒状20 nm的大中孔。比表面积高达891 m2g-1，孔体积高达3.0 m3g-1。石油沥青基炭骨架为带状结构，即使在比较低的炭化温度下，如900℃，也具有较好的石墨微晶结构，并且这种限域的纳米结构在高温石墨化时更容易形成石墨结构。经过高温石墨化后得到具有较高比表面积(208 m2g-1)的带状石墨，这为制备纳米孔石墨炭材料提供了一种新途径。　　 开发的这种THF有机凝胶体系，能够应用于其它疏水性炭源如聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯和K树脂。结果表明，得到颗粒状蠕虫孔炭骨架，炭颗粒的大小及材料孔结构与炭源的化学结构有关。带有支链的聚合物为炭源得到的炭材料具有较多的微孔，因此，可以通过改变炭源来制备具有不同结构和炭骨架的材料。　　 3.蠕虫孔炭材料在能源领域中的应用　　 结果表明，密胺树脂基蠕虫孔炭材料有优良的储电性能，具有相似孔结构而N含量高的样品，具有更高的比电容值，这是因为除了有与材料孔结构有关的双电层电容外，还有与材料表面官能团有关的赝电容。相同样品(例如MFC-800)在酸性电解液中的比电容高达214 F/g，几乎为中性电解液中的两倍(109 F/g)。这是因为在酸性电解液中炭材料表面的N官能团与H+发生氧化还原反应，从而提供了赝电容，增加了材料的比电容值，而在中性电解液中没有足够的H+产生赝电容。　　 石油沥青基蠕虫孔炭材料在水系和有机系电解液中都具有良好的电容特性，独特的双中孔结构，为电解液离子的扩散和传输提供了通道，因此石油沥青基炭材料电性能测试接近理想电容行为。　　 在锂离子电池测试中发现，材料中的微孔可以储存锂簇或锂分子，成为储锂的仓库，因此具有较大的放电容量，如PC-900的放电容量高达537.3 mAh/g，但是循环稳定性能较差。经过石墨化后，材料微孔几乎消失，材料只有通过锂的插层进行储能，放电容量较低，如PC-2800放电容量为220.9 mAh/g，但是其循环效率良好。