离子液体前驱体法合成三维多级纳米结构及其超级电容器性能研究

Supercapacitor is one of the most important research fields of clean and sustainable energy, while the active electrode material is the foremost part of the supercapacitor. Three-dimensional hierarchitectures electrode materials are not only keeping the advantages, eliminating the defects of nanomaterials, but also exhibiting high electrochemical performance and extraordinary structural stability. This research has focused on developing high efficient energy storage supercapacitor with superior capacitance, high energy density and long cycle life, and exploring novel efficient, economic and environmental friendly synthesis strategy for large-scale construction of three-dimensional hierarchitecturesin a simple reaction system. The objects of this research will be transition metal oxide/metal chalcogenides. Based on the special physical and chemical properties of ionic liquids, ionic liquid precursors are designed and synthesized to realize the preparation of three-dimensional hierarchitectures in a mild condition using high reactivity of new species produced by the decomposition of ionic liquid precursors, consequently achieving the substantial improvement of active electrode material electrochemical performance. Three-dimensional hierarchitectures have been used in many clean energy fields, such as rechargeable batteries, solar cells and photocatalysis etc. Therefore, as not only for supercapacitor, but also for some clean and sustainable energy fields, the implementation of this research is full of important scientific significance and application value.

超级电容器是清洁和可持续能源的重要研究领域之一，而活性电极材料是超级电容器最重要的组成部分。具有三维多级纳米结构的电极材料，不仅可保留纳米材料的优势，且可避免纳米材料的缺陷，而具有更好的电化学性能和优异的结构稳定性。本项目拟以高比容量、高能量密度和长循环寿命的高效储能超级电容器研制为目的，探索反应体系简单、易于规模化合成的高效、经济环保的三维多级纳米结构构筑新策略。本项目工作拟以过渡金属氧化物/硫属化合物为研究对象，基于离子液体独特的物理化学性质，设计和合成离子液体前驱体，利用离子液体前驱体分解而成的新生成物种的高反应活性，实现在温和条件下三维多级纳米结构的合成，以实现活性电极材料电化学性能的明显改善。因三维多级纳米结构已广泛应用于可充电电池、太阳能电池和光催化等清洁能源领域。因此，本项目工作的实施，不仅对超级电容器，对于众多清洁和可持续能源领域均具有重要的科学意义和应用价值。

本项目旨在利用离子液体新型反应介质独特的物理化学性质，设计与合成离子液体前驱体，以超级电容器电极材料为功能导向，开展三维多级纳米结构的合成化学研究。本项目工作建立起多种三维多级纳米结构的离子液体前驱体合成途径，这些方法不仅实现了对材料合成的有效控制，且具有相对广泛的适应性，可望在更为宽阔范围内用于多级纳米结构的合成与调控。本项目工作对于无机合成化学及材料微结构构筑与性质关系具有重要的科学价值。.本项目工作的主要进展如下：.离子液体前驱体法研究：本项目工作成功确立了多种离子液体前驱体法：1) [BMIm]CuCl2前驱体：采用咪唑类离子液体卤化物与金属离子形成的配合物为前驱体；2) [BMIM]2Mo4O13前驱体：采用咪唑类离子液体阳离子与多酸盐阴离子形成的加合物为前驱体；3) FeS1.4(Dmim)0.5前驱体：金属硫化物与咪唑离子液体阳离子形成复合物为前躯体。由所设计合成的离子液体前驱体可知，这些方法具有相当广泛的适用范围，不仅可望推广至其它三位多级结构的合成，且我们的工作已证明，亦可实现对合成及形貌的有效控制。.多级纳米结构的构筑：在本项目实施过程中，合成了多种三维多级纳米结构，主要包括：MxSy-MoS2(M=Ni、Co、Mn)异质结构、MoS2纳米管、Cu7Te4超薄纳米页、NiCo2S4纳米结构及泡沫镍为支撑体的NiCo2S4纳米结构阵列、3D介孔纳米结构Ni3Se2和Ni12P5三维介孔结构等，还有NiSe/MoSe2/MoO2、CuCo2O4/CoO/Cu2O和Ni3Mo3N/MoO2/NiO多元复合材料，并对产物性质进行了初步研究。此外，我们亦对rGO/VS4和rGO/CuS多级纳米结构的离子液体辅助的材料设计策略进行了较深入的探索。.迄今，共发表标注论文23篇，包括：Nano Energy (1), J. Mater. Chem A. (3), Small (1), ACS Appl. Mater. Inter., (2), Chem. Eng. J., (4), ACS Sustain. Chem. Eng., (1), Electrochim. Acta (2), Chem. Commun., (1), Cryst Growth Des., (1)等。培养四名硕士和五名博士研究生。