过渡金属氧化物多级微纳结构的设计、可控制备及其电化学性能研究

Owing to their unique physical and chemical properties, transition metal oxides exhibit promising application prospects in various fields such as catalysis, sensing, and energy storage. According to different application requirements, high-efficiency and low-cost preparation, and effective regulation of the micro-/nanostructures of transition metal oxides is a significant development direction in present and future. Based on the crystal structural characteristics of metal oxides, the project aims at the design and controllable synthesis of transition metal oxide hierarchical micro-/nanostructures with novel morphologies and excellent electrochemical performances by solvothermal of cheap metal acetates in simple alcohol solvent. The effect of different reaction conditions on the structural parameters including dimension, morphology, size, and pore structure, the regulation and influence of different alcohols on the formation, and the assembly process and growth mechanism of transition metal oxide hierarchical micro-/nanostructures, will be investigated systematically. It will also study the electrochemical performance and energy storage mechanism of the hierarchical micro-/nanostructures, explore the relationship between the structures and properties, and further design and controlled synthesize hierarchical micro-/nanostructures according to the characteristics of their electrochemical performances. This research will set up a simple method for the controllable synthesis of transition metal oxide micro-/nanostructures by thermal decomposition of cheap metal acetates in appropriate solvents, and will provide significant scientific basis and technical support for their application in the fields of energy storage and conversion such as supercapacitors.

过渡金属氧化物以其独特的物理学性质在催化、传感、能源存储等领域具有十分广泛的应用前景。根据不同的应用需求，高效、低成本地制备并有效地调控过渡金属氧化物微纳米结构是当前重要的发展方向。本项目在前期工作基础上，提出基于过渡金属氧化物的晶体结构特征，以廉价的醋酸盐和简单醇类化合物为原料，采用水热溶剂热技术可控制备具有新颖形貌结构和优异性能的过渡金属氧化物多级微纳米结构。研究反应条件对多级结构的维度、形貌、尺寸和孔隙结构的影响，研究醇类化合物调控氧化物多级微纳米结构的作用机理，揭示多级结构的组装过程与形成机理；研究多级微纳米结构的电化学性能和储能机制，探讨结构与性能之间的构效关系，进而根据电化学性能特点设计合成过渡金属氧化物多级微纳米结构。本项目的研究将开辟在适当的溶剂中通过热分解醋酸盐可控制备过渡金属氧化物多级微纳米结构的简便方法，为其在超级电容器等能量存储领域的应用提供科学依据和技术支撑。

过渡金属氧化物以其独特的物理、化学性质在催化、传感、能量存储与转化等领域具有广阔的应用前景，称为近年来化学与材料科学领域的研究热点之一。如何根据不同的应用需求，高效、低成本地制备并调控过渡金属氧化物的微纳米结构式当前研究的热点。作为极具应用潜力的电极材料，过渡金属氧化物如何在高库伦效率下保持大的可逆容量、长寿命和大电流充放电是个极具挑战性的问题。本项目在前期探索工作的基础上，提出基于过渡金属氧化物的晶体结构，采用溶剂热技术，乙醇、水等为溶剂，开展过渡金属氧化物多级微纳米结构的设计、可控合成和电化学性能研究。在本项目的支持下，开展的主要研究如下：1. 层次微纳米结构NiO的可控制备、电化学性能及其构效关系；2. 多级结构双金属氧化物@碳基纳米复合材料的设计构筑及其电化学性能；3. 多级结构Fe2O3@C@MoS2@C纳米复合材料的可控制备及其电化学性能；4. 多级结构Fe2O3@SnO2@C多壳层纳米管的可控制备、形成机理及其锂离子与钠离子存储性能；5. 多级微纳米结构孔碳材料的组成结构设计、可控构筑及其电化学性能。..本项目在多级微纳米结构过渡金属氧化物、复合氧化物、多孔碳材料、氧化物与碳基复合材料的组成结构设计、可控构筑、形成机理、电化学性能及其构效关系等方面开展了一系类系统研究工作，优化了合成工艺条件，提出了新的形成机理，获得了一系列在电化学储能领域（超级电容器、锂离子电池、钠离子电池等）具有重要应用前景的多级微纳米结构过渡金属氧化物、多孔碳及其复合材料产品；取得了一系列高水平科研成果，共发表SCI研究论文34篇，其中影响因子大于3.0的论文33篇，申请国家发明专利2件。本项目研究将对无机固体化学、合成化学、材料科学、能源材料与化学等学科的发展具有重要意义，所取得的成果将为过渡金属氧化物、碳材料组成结构的创新设计、可控构筑及其在超级电容器、锂离子电池等能量存储领域中的广泛应用提供重要的理论依据和技术支撑。