石墨烯导向合成过渡金属氧化物二维微纳结构及反应机理研究

The construction of micro-nano structure can effectively bridge the outstanding physicochemical properties of nanomaterial with its practical application demands. For transition metal oxides, design and synthesis of specific micro-nano structure can retain the properties of nanoparticles to the maximum degree for various applications. In this project, we plan to establish a new method of preparing transition metal oxides with a novel 2 dimensional micro-nano structure directed by graphene nanosheets, based on the unique chemical reaction process between graphene and transition metal observed in our previous experiments. This new method allows controllable growth of transition metal oxide nanoparticles on a 2 dimensional plane. The resultant nanostructure ensures thorough exposure of the surface of all nanoparticles and fast mass transport. The reaction mechanism is expected to be disclosed by systematic investigation on the influence of oxygenic groups on graphene and the partial pressure of oxygen on the composition, structure and morphology of the products, the relation between the microscopic structure of the precursors and the products, as well as the characteristics and similarities of different transitional metals. Furthermore, by controlling the microscopic structure and macroscopic morphology of graphene precursors, design and controllable synthesis of transition metal oxides with desirable hierarchical structures can be realized, and their potential for electrochemical energy storage applications will be evaluated.

构建微纳结构是联系纳米材料优异性能与其宏观应用的一座重要桥梁。对于过渡金属氧化物纳米材料体系而言，设计并制备特定的微纳结构同样是实现其最佳性能发挥的重要手段。本项目基于申请人在前期研究中观察到的石墨烯与过渡金属间的特殊化学反应过程，拟建立一种以石墨烯二维纳米片导向合成具有新颖二维微纳结构的过渡金属氧化物的新方法，实现过渡金属氧化物纳米粒子在二维平面上的可控生长，以充分发挥纳米颗粒的表面效应，并有效提升材料的传质效率。通过系统研究石墨烯含氧官能团及反应体系氧分压对产物组成、结构与形貌的影响规律，金属与石墨烯混合前驱体的微观形态与产物结构间的对应关系，以及不同过渡金属体系的反应特性与共性，揭示该新体系的反应机理与微纳结构生长机制。在此基础上，通过调变石墨烯前驱体的微观形态与宏观形貌，实现具有多级结构的过渡金属氧化物纳米材料的设计与可控制备，并研究其在电化学储能领域的应用潜力。

本项目发展了一种以氧化石墨烯作为结构导向模板的新方法，制备具有新颖二维微纳结构的过渡金属氧化物，并探索其在电化学储能中的应用。开展材料制备与反应机理研究，同时发展多孔石墨烯的制备方法，并设计制备一系列基于二维微纳结构金属氧化物与石墨烯的电极材料，展现优异的电化学性能。项目取得主要研究进展如下。.1）利用氧化石墨烯与金属盐前驱体在空气气氛下反应，制备具有独特二维多孔微纳结构的过渡金属氧化物，并探索材料的形成机理与关键结构调控因素。得益于氧化石墨烯的模板作用，金属盐前驱体分解后形成的金属氧化物在氧化石墨烯表面均匀成核生长，并在二维平面上互相连接，形成了新颖的二维微纳结构。氧化石墨烯表面的含氧官能团含量、退火温度和退火时间是影响材料结构的关键参数。.2）将退火气氛调整为惰性气体，实现了金属纳米颗粒对于石墨烯的刻蚀，制得多孔石墨烯材料。通过调节氧化石墨烯与金属盐的比例、退火温度和退火时间等条件，实现对纳米孔洞尺寸与密度的调控。并设计制备了一系列基于多孔石墨烯的电极材料，包括可压缩的多孔石墨烯/钴复合气凝胶电极材料，多孔石墨烯/镍复合薄膜电极材料和多孔石墨烯/一氧化锰复合气凝胶电极材料等。多孔石墨烯增加了电化学反应位点，并为锂离子扩散提供了通道，因此展现出优异的电化学性能。.3）利用氧化石墨烯与金属盐前驱体间的反应特性，设计并制备得到具有层状结构的二维微纳结构钴酸锌/石墨烯复合薄膜电极材料。材料中，由氧化石墨烯为模板生长的二维多孔结构钴酸锌与石墨烯纳米片形成均匀的层状结构，避免纳米颗粒的聚集，又提供了良好的导电通路，因此表现出很高的比容量和优异的循环稳定性。以该复合薄膜为负极，磷酸铁锂为正极制得了柔性全电池，同样表现了优异的电化学性能。.依托该项目，已发表SCI论文9篇，其中影响影子大于5的论文5篇，申请中国发明专利3项，其中1项已授权。