基于电化学方法的大面积有序过渡金属基储能材料的纳米尺度制造及其柔性储能器件研究

The performance of electrode materials is one of the most importance factors for supercapacitors. How to obtain high-performance electrode materials with high specific capacitance, long-term stability, and high power and energy densities via a large-scale and low-cost synthesis method has attracted considerable attention and still is a huge challenge in this filed. Electrochemical deposition has been recognized as a promising method to prepare the electrode nanomaterials because of its simplicity, ease of scale-up, low cost, and environmental friendliness. To develop the novel and high efficient energy conversion/storage materials, in this project, we will focus on the design and large-scale synthesis of porous transition metal-based composite nanoarrays on flexible commercial carbon cloth, self-made conductive polymer films or porous carbon thin films by electrodeposition from green aqueous solution and investigate their electrochemical properties and applications in all solid-state supercapacitors. The work proposed here specifically seeks to (1) elucidate the interface electrochemical behavior and mechanism of the energy conversion/storage materials; (2) realize the reasonable design and controllable synthesis of high-performance transition metal-based composite nanoarrays with excellent long-term stability; (3) fabricate high-performance all solid-state supercapacitors by using these as-synthesized transition metal-based composite nanoarrays. We are sure that this project will provide a new insight to the relationship between electrode materials and devices, but also provide important theory and experimental evidences on the conversion between chemical energy and electrical energy.

电极材料是决定超级电容器性能的最重要因素之一，如何寻找和开发具有高比电容、高稳定性、高能量及功率密度的电极材料是目前储能研究领域的热点和难点。本项目针对新型高效能源转换与储存材料的分子设计及柔性器件研制技术，提出以商用的碳布或自制备导电聚合物和多孔碳薄膜作为柔性基体，利用电沉积方法设备需求简单，反应条件温和，形貌、结构与成分易于调控的特点；在绿色的水溶液体系中，系统深入地研究大面积有序大面积有序过渡金属基复合纳米电极材料的可控制造及其界面协同机制和化学能/电能转换与存储的机理，并研制和构建以纳米过渡金属基复合材料为储能电极的高性能全固态柔性超电容器件，总结和归纳器件构造与储能机理之间的内在规律；旨在实现高效、稳定储能材料的理性设计与可控纳米制造，为揭示储能材料与器件中的结构与界面规律和化学能/电能转换与存储的基本过程与原理提供重要的理论与实验依据。

2014年1月-2014年12月，在国家基金重大研究计划连续资助培育项目(91323101)的资助下，建立了在宏观基底上大面积有序生长纳米半导体材料的电化学制备方法，并针对新型纳米能源材料与环境材料开展前沿基础性研究。本项目的主要研究内容包括：(1) 探索低成本生长大面积高性能柔性过渡金属基电容电极材料及其柔性储能器件的组装的方法原理和技术具有十分重要的学术价值和现实意义，也是目前超级电容器研究的活跃领域。针对过渡金属基储能材料存在的问题，沿着柔性高容量储能材料设计→微观结构分析和调制→储能性能优化→储能器件应用研究的主线，系统开展过渡金属基纳米阵列复合新型储能材料的基础科学问题研究。相关成果分别发表在 Energy Environ. Sci., Adv. Mater., NPG Asia Mater.，Adv. Funct. Mater. 和 Nano Energy 等国际重要学术刊物上。(2) 探索和发展一种简便快速、绿色和经济的大面积生长光阳极和光催化剂材料的制备方法对解决环境污染具有重要意义。我们开展了针对光解水制氢的光电化学池前期探索工作，对 ZnO, TiO2, Ni(OH)2 等纳米材料光阳极的制备、形成机理和光电、光催化性能进行了较系统的研究。相关成果分别发表在 Chemical Society Reviews，Nano Energy 和 Chem. Common.等国际重要学术刊物上。. 资助期内在国际知名学术刊物上发表 91323101 标注的 SCI 收录论文 25 篇，其中 IF > 9.0 的论文 11 篇，包括著名学术期刊 Chemical Society Reviews (1 篇)，Energy Environ. Sci. (1 篇)，Adv. Mater. (3 篇)，NPG Asia Materials (1 篇)，Adv. Funct. Mater. (1 篇)，Nano Energy (4 篇)。培养了6名博士生和4名硕士生，其中2名学生获得博士学位，1名学生获得硕士学位。这些研究结果丰富了纳米储能材料制造的内容，为批量化、重复性地实现在宏观尺度基体上储能材料的纳米制造和超电容器件研制提供了新途径。对照研究工作计划，本项目超额完成了预期的研究目标。