三维（3D）多孔纳米金属氧化物的可控合成及其超微电极的混合电容特性

三维（3D）多孔纳米金属氧化物是超微混合超级电容器理想的正极材料，电极兼具赝电容和双电层电容的优点。制备比表面积大、孔隙规则有序、结构稳定的3D多孔纳米金属氧化物材料是保证电极混合电容特性的关键。本项目通过构建结构可控的双模板/球模型，采用模板导向法实现3D多孔纳米金属氧化物的可控合成。通过X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等对3D多孔纳米金属氧化物的微观结构进行表征，探讨该材料的双模板/球模型定向合成机制。采用电化学方法研究3D多孔纳米金属氧化物超微电极的电化学性能，并与活性炭电极组装成超微混合超级电容器，研究其混合电容特性。本课题是Pickett硬球流动模型和Feng Li多孔纳米线制备方法的发展，具有重要的理论意义。超微混合超级电容器具有体积小、工作电压高、能量和功率密度大等显著优点，在军工、微电子、微型机器人等领域有着广泛的应用前景，实际应用价值巨大。

通过三年的研究工作，课题组已经在三维多孔纳米金属氧化物的可控合成的实验工作及理论研究方面取得了重要进展。制定了水热法和硬模板法两条实验合成路线。.1）采用生物分子、CTAB、SBS、淀粉等多种不同性质的表面活性剂作为模板剂，硝酸镍、硫酸镍为镍源在碱性体系中合成了一系列多孔纳米氧化镍粉末。该研究成果已经发表在国际权威期刊《Journal of Physical Chemistry-A》上，制备方法申请了国家发明专利。.2）以谷胱甘肽作为硫源和螯合剂，溶剂热法制备了硫化铋，发现该物质不仅具有很好的超疏水性，同时具有吸放氢性能，这是一个难得的发现，该成果发表在国际权威期刊《Nanotechnology》上，制备方法也申请了国家发明专利。.3）课题组对多孔材料合成过程中模板剂的导向结晶机理以及孔道的形成过程进行了分子模拟。采用耗散粒子动力学（DPD）对CTAB在水溶液和Ni(OH)¬2溶胶中的相分离行为进行了研究，模拟了纳米多孔氧化镍前躯体的形成过程中，模板剂CTAB同无机物种Ni(OH)2的协同自组装过程。模拟结果表明，在水溶液体系中，随着CTAB组分浓度的增加会生成不同的液晶相：球状胶束（10%），有序排列的棒状胶束（六方状）（30%），层状胶束（50%），三维立方状胶束（70%）。在Ni(OH)2溶胶体系中，保持前躯体中Ni(OH)2胶粒同CTAB的总量不变，改变二者配比，可以得到不同CTAB和 Ni(OH)2的自组装结构。为了进一步研究CTAB作为模板剂的导向结晶机理，模拟了 CTAB与Ni(OH)2配比为1:1时的层状液晶相结构的形成过程。模拟结果显示：CTAB首先通过分子间的相互作用聚集并形成最终的层状胶束，无机物种Ni(OH)2¬胶粒受到次价键的作用在胶束表面堆砌并相互作用，晶化后形成多孔材料的骨架结构，模拟结果同实验探讨的液晶模板机理一致。目前在该方向已经完成了一篇论文初稿《表面活性剂（CTAB）在水溶液和溶胶体系中自组装行为的介观动力学（DPD）模拟》。.4）通过对自主合成的多孔纳米氧化镍和三硫化二铋（均申请了国家发明专利）进行应用，该成果在国际权威刊物《International Journal of Hydrogen Energy》发表两篇学术论文。