多级结构碳/金属氧化物/碳化物多元异质结构的设计、构筑及其储能性质研究

With the constantly increasing interests for the Lithium-ion batteries (LIBs), the development of the classical anode materials -carbon and metal oxide for LIBs is always the hot topic and challenge. Any exploration work for constructing novel structures of carbon and metal oxide will be benefit to designing and developing high performance energy storage device. The present project focuses on the construction of a new type of LIBs anode of hierarchical structured carbon /metal oxide/metal carbide heterostructure. The core works for this project lie on the smart design of metal oxide/metal carbide in hierarchical structured carbon and employment of metal carbide for addressing the bottleneck issues of metal oxide and carbon materials during Lithium storage process. The typical studies are presented as follow: a) the development of novel hierarchical structured carbon /metal oxide/metal carbide heterostructure through one-step catalysis method, space-confinement pyrolysis method, and self-assembly method; b) controlled synthesis of hierarchical structured carbon /metal oxide/metal carbide heterostructure by adjusting the synthetic conductions; c) systematic study of LIBs perfomance for the materials with different structures and metal oxides/metal carbides; d) computational understanding on the Li storage mechanism of hierarchical structured carbon /metal oxide/metal carbide heterostructures.

锂离子电池负极材料中碳材料和金属氧化物作为典型的储锂材料一直是该领域的一个研究热点，对于开拓碳材料和金属氧化物结构形式的任何进展或突破都将有助于更有效的设计和开发高性能储能设备。本项目以多级结构碳/金属氧化物/碳化物异质结构这种新的结构形式为研究对象，注重设计金属氧化物/碳化物异质体在结构中布局，重点研究金属碳化物对于提高性能起到的重要作用，尝试解决金属氧化物和碳材料在Li+离子存储过程中的瓶颈问题。主要内容为：通过一步催化法、空间限域热解法、自组装等途径，开展新型多级结构碳/金属氧化物/碳化物异质结构的合成研究；通过调节合成体系参数，实现可控合成多级结构/金属氧化物/碳化物异质结构；开展不同结构类型、不同种类金属氧化物/碳化物的异质结构对相同锂离子电池体系的储锂性能研究; 计算模拟多级结构/金属氧化物/碳化物异质结构的储锂机制，建立实验、应用、理论三者之间的关系。

新能源二次电池电极材料中碳材料和金属化合物作为典型的材料一直是本领域的一个研究热点，对于开拓碳材料和金属氧化物结构形式的任何进展或突破都将有助于更有效的设计和开发高性能储能和能量转化设备。.在项目执行期，研究了石墨化碳层限域部分CoS2纳米点比完全包覆的控制合成和优势，探讨在多孔碳不同空间限域位置对储锂性能的影响；研究了2维石墨烯薄膜覆盖SnO2/Cu自支撑电极，此限域作用抑制结构变化，获得提升储锂稳定性；从提高导电性和抑制结构变化的角度，构筑了Ag量子点镶嵌在MoSe2纳米片上的多级结构，提升储锂性能的影响；总结分析了二维纳米片组装在不同基底上用于不同储能器件的电化学优势及目前存在的挑战和机遇；研究同步硫化方法提高Fe-N-C催化剂原子分散；研究N掺杂的碳纳米管中限域具有多个活性位点的金属化合物NPs；自组装热解方法制备Co-N-C活性位点限制在N、B共掺碳纳米片；MoO3异质结构的超薄1T'相MoS2的合理的惰性基底平面活化设计。. 研究结果表明，“有机小分子前驱体预聚合”方法实现“碳复合限域结构”的构造受多种合成参数的影响，所获得的碳层在限域金属纳米颗粒或金属单原子，其限域效应受亦多种因素影响，宏观结构的控制合成直接影响限域效应的类型；另外，多级结构碳/金属氧化物（碳化物）多元异质结构的电化学性能是受到界面工程、电子结构调控工程等多方面因素的影响。. 首次发现，利用碳层中的杂原子可以调控限域的金属原子和纳米团簇的表面电子结构，从而，是纳米团簇的原子利用率提高，特别是解决了Fe-N-C材料碳化过程中Fe容易团聚带来的性能下降问题；材料在酸性和碱性介质中的氧还原性能都得到了充分的提高。这项工作不仅加深了人们对杂原子对于金属纳米团簇表面电子结构调控的认识，还为设计高效的非贵金属燃料电池电极材料提供了一条新途径。. 研究发现纳米空间限域热解方法可以合成碳限域金属多元异质结构颗粒，将前驱体重加入不同杂原子，原位热解即可获得金属氮化物和金属磷化物的异质结构，从而定向开发了一种全新一步法合成路线成功制备出多级结构碳/金属氧化物（碳化物）多元异质结构，并且通过计算模拟提出利用界面工程理论解决性能优化的问题。