高曲率碳纳米洋葱的可控合成及其超级电容器性能研究

The exohedral electric double-layer capacitance structure originated from the surface of carbon nano-onions (CNOs) renders them the novel advantages in the application of supercapacitor. The CNOs with high surface curvature not only have high specific areal capacitance, also have high power density. However, due to the insufficiently high curvature, poor dispersity, the lack of control of microstructures of the CNOs, the present energy densities of the supercapacitor based on CNOs are still low. In this research, we will focus on obtaining the supercapacitor electrode materials based on high-curvature CNOs with high power density and considerable energy density. We will synthesize the high-curvature CNOs with good dispersity and size uniformity, based on which, the microstructures such as hollow structure with different dimensions, different encapsulation types with different dimensions, the thickness of graphitic shells and graphitization will be tuned during growth. The influence mechanism of the curvature and the microstructure characteristics of the high-curvature CNOs on the supercapacitor performance will be investigated. Combining with theory simulation, we will clarify the advantage essence of the CNOs high curvature in supercapacitor energy storage, obtain the optimized-structured high-curvature CNOs, and build the flexible all-solid-state supercapacitor based on them. The results will provide the theoretical guidance and experiment references for the high-curvature electrode materials in the application in the supercapacitors.

碳纳米洋葱的外凸双电层电容结构使其在超级电容器应用中具有独特的优势。高曲率的碳纳米洋葱表面不仅具有高的单位面积电容，且具有高的功率密度。但由于曲率不够高、分散性差及缺乏微观结构控制，目前碳纳米洋葱作为超级电容器电极的能量密度较低。本课题以获得基于高曲率碳纳米洋葱电极的兼具高功率密度和高能量密度的超电容储能性能为研究目标，拟合成分散性良好且尺寸均一的高曲率碳纳米洋葱（尺寸< 15 nm）并对其进行中空结构及尺度、包覆颗粒种类及尺度、石墨壳层厚度与石墨化程度等微观结构的调控，研究碳纳米洋葱曲率与基于高曲率碳纳米洋葱的不同微观结构对于超电容储能性能的影响规律，结合计算模拟，阐明碳纳米洋葱的高曲率在储能性能上的优势的本质，获得合理优化结构的高曲率碳纳米洋葱，并构筑以此为电极的柔性全固态超级电容器。研究结果可望为基于高曲率表面的电极材料在高性能超级电容器中的应用研究提供理论依据和实验借鉴。

超级电容器具有高功率密度与长循环寿命，是一种新型的储能元器件。制备兼具高能量密度和高功率密度的超级电容器一直是储能领域的研究目标，也是其电极材料研究中的一个挑战。碳纳米洋葱是一种具有同心卷绕石墨壳层的新型碳纳米材料结构，其表面高曲率具有使离子快速迁移的特性，赋予其高功率密度及高倍率性能。本研究以合成兼具高功率密度和高能量密度的高曲率碳纳米洋葱结构为目标，以单分散且尺寸均一的四氧化三铁以及核壳结构的铁镍合金纳米颗粒为催化剂，利用化学气相沉积法、热处理法等获得具有不同尺寸及微观结构特征的碳纳米洋葱，研究催化剂尺寸、成分、合成温度、气流量、时间等因素对碳纳米洋葱的影响，以实现高曲率碳纳米洋葱的尺寸及结构可控制备，并提出了不同结构碳纳米洋葱的生长机理。研究发现高曲率中空结构碳纳米洋葱表面具有快速吸脱附电解质离子的能力，可以实现高功率密度超级电容器电极的制备，并在此基础上通过电极材料和器件的优化，进一步获得了高能量密度，同时，这种碳纳米洋葱结构具备高频响应能力，使超级电容器在一定频率交流电下具备储能性能。研究揭示了碳纳米洋葱的尺寸及微观结构特征对于超电容储能性能的影响规律，探讨了“尺寸-结构-功率密度-能量密度”之间的关系，并结合分子动力学模拟揭示了碳纳米洋葱在储能应用中的结构优势。该研究实现了高曲率碳纳米洋葱的结构可控制备，为开发基于碳纳米洋葱电极材料的高性能超级电容器提供了理论及技术支持。本项目顺利完成，已发表6篇标注了基金号的论文，其中影响因子大于8的论文3篇，包括Adv.Energy Mater. 1篇、ACS Appl. Mater. Interfaces 1篇、Nano Research 1篇。申请专利2项。项目执行期间，培养硕士生14人，已毕业4人。