二维纳米片储能材料的可控制备、组装与微型超级电容器应用研究

With significantly increased strategic attentions and demands of our country in the original basic research and new energy devices with unprecedented application prospects, the project is committed to conduct the basic research of new-type graphene and two-dimensional (2D) materials for micro-supercapacitors. The main research targets are to establish the main controllable methods of high-quality graphene and other 2D nanosheets (including MXene, VS2, MoS2, TiO2, MnO2), to develop the controllable yet orderly assembly of new-class 2D sandwich-like porous, 3D porous network and films of graphene and other 2D nanosheets, to process the efficient, low-cost, large-area production of continuous and nanoporous films with tunable thickness, high electrical conductivity and packed density using electrochemical deposition, inkjet printing, and to reveal the intrinsic relationship between the structure and electrochemical properties. Microfabrication technology will be employed to build new, miniaturized, high-performance micro-supercapacitors. Combined with in-situ characterization techniques and theoretical calculation, the mechanism of electrochemical energy storage process and other basic scientific issues will be disclosed for the rational design of novel 2D materials and construction of high-performance micro-supercapacitors for on-chip energy storage.

针对我国在原创性基础研究的高度重视和具有重要应用前景的新型能源器件的重大需求，本项目致力于开展新型二维纳米片材料应用于微型超级电容器的基础研究，建立可控制备高质量石墨烯和类石墨烯纳米片（包括MXene、VS2、MoS2、TiO2、MnO2）的制备技术，发展新型石墨烯和类石墨烯二维平面、三维立体孔网络和薄膜等材料可控有序组装、调控和复合的新方法，揭示薄膜纳米“孔”结构的构效关系；发展高效、低成本、大面积生产薄膜的加工技术，如电化学沉积、喷墨打印，来进行构建形貌连续、孔隙发达、厚度可控、高导电性、加载密度的电极薄膜，并阐述其结构与电化学性能关系。利用微纳加工技术构筑新型的、高性能微型超级电容器，结合原位表征技术和理论计算探讨在电化学过程中的储能机理等基础科学问题，为合理设计新型二维纳米能源材料和构筑高性能的芯片储能器件提供重要的指导依据，为二维材料在微型超级电容器中应用奠定基础。

针对我国在柔性化、微型化电化学能源存储器件方面的重大需求，本项目致力于石墨烯和类石墨烯二维材料导向设计、可控制备及其微型超级电容器的理性构建和应用基础研究，旨在实现满足可穿戴与微电子系统等特定应用场景所需的高性能和功能化微型超级电容器。在项目执行期间，本人在Energy & Environmental Science（3篇）、Adv. Mater.（4篇）、J. Am. Chem. Soc.（2篇）、ACS Nano（8篇）、Nano Energy（3篇）、Adv. Func. Mater.（3篇）、Adv. Sci.（2篇）、Angew. Chem. Int. Ed（2篇）、Energy Storage Materials（5篇）等国际期刊发表论文56篇，其中通讯作者论文53篇，影响因子大于10的论文34篇，邀请综述10篇；申请国家发明专利33项，受邀做大会报告和邀请报告共50余次。.研究工作主要围绕石墨烯、类石墨烯纳米片可控制备，二维平面薄膜、三维立体“孔”纳米片及其复合材料的结构设计与组装，以及微型超级电容器构建与电化学性能三大方面展开，并取得了系统性的创新成果。（1）发展等离子体法、自下而上法、电化学剥离法、超分子自组装策略等二维储能材料的可控制备技术，获得十余种形貌可控的高质量二维电极材料，包括站立石墨烯、杂原子掺杂石墨烯、碱化MXene及其衍生纳米带、介孔MnO2纳米片等；（2）开发激光热解、真空抽滤、交替沉积等方法制备具有不同结构构型的图案化薄膜电极，发展冷冻干燥法、自蔓延燃烧法制备三维石墨烯宏观体及其复合材料，并利用具有普适性的软模板法、界面自组装策略合成具有优异电化学性能的石墨烯基复合材料；（3）提出喷涂法、掩膜版抽滤法、紫外光还原法、丝网印刷法、激光热解法等微电极及其器件制备方法，研制出多种高性能、柔性化、可弯曲、可拉伸、可弯折、可揉皱、形状/大小可定制、无基底/无定形等多功能特征平面微型电化学储能器件，包括水系双电层微型超级电容器、水系赝电容微型电容器、高浓盐微型非对称电容器、离子液体及其凝胶电解质基微型超级电容器、锂/钠离子微型超级电容器等。该工作的顺利开展为合理设计新型二维能源材料和构筑高性能微型化储能器件提供重要的指导依据，而高性能微型电化学储能器件的开发将促进其作为新型微功率源直接应用于可穿戴与微电子系统，满足不同应用场景需求。