多孔石墨烯包覆的金属硫化物/石墨烯基碳气凝胶复合结构的构建及电化学性能研究

Supercapacitors, possessing a high power density, excellent cycle stability, low cost and environmental friendliness, is one of the new-type energy storage device. However, several practical problems derived from electrodes have hampered widespread application of supercapacitors. On the one hand, the specific capacitance and the energy density of carbon materials are low due to the limited surface area. On the other hand, supercapacitors using metal oxides exhibit poor electrical conductivity and stability. This project is aiming at the controllable fabrication of porous graphene-wrapped metal sulfide/hierarchical porous graphene-based carbon aerogel composite structure through assembling metal sulfide nanostructures on the surface of carbon aerogels which prepared by using biomass as the resource, and wrapping a thin film of porous graphene to improve the stability, realizing the combination of electrical double layer capacitor electrodes and pseudocapacitor electrodes. The effect of porous graphene, metal sulfide and graphene-based carbon aerogel on the enhancement of electrochemical properties will be systematically investigated, and the interface charge transfer and energy storage mechanism of composite structure will be also explored. In addition, it is expected to prepare new and effective electrode materials, which can meet the practical application of supercapacitors. This project also will provide important experimental support and theoretical basis for the design, exploration and fabrication of effective supercapacitor electrodes.

超级电容器作为新型储能器件，与电池相比具有功率密度高、循环稳定性好以及环境友好等优点。针对目前超级电容器电极材料存在的两方面难题：一是碳材料比电容和能量密度低；二是金属氧化物导电性和循环稳定性差。本项目拟从生物质资源的综合利用出发，以分级多孔石墨烯基碳气凝胶为基底，通过结构和成分调控在碳气凝胶孔壁表面组装一层金属硫化物纳米结构，最后为提高结构稳定性在其表面包覆一层多孔石墨烯，构建具有高效电化学性能的多孔石墨烯包覆的金属硫化物/分级多孔石墨烯基碳气凝胶复合结构，实现双电层和赝电容电极材料的有效耦合。揭示多孔石墨烯层、金属硫化物和石墨烯基碳气凝胶对复合电极材料电容特性的强化机制，阐明复合结构的界面电荷传输和储能机制，以期制备满足超级电容器实际应用的电极材料，为高性能超级电容器电极材料的设计、开发和制备提供了理论依据和实验支持。

超级电容器作为新型储能器件，与电池相比具有功率密度高、循环稳定性好等优点。本项目针对超级电容器电极材料中碳材料比电容和能量密度低以及金属氧化物导电性和循环稳定性差的两个难题，以分级多孔石墨烯基碳气凝胶为基底，通过结构和成分调控在其表面分别组装了一层镍钴双金属硫化物和氧化物一维纳米结构，实现了双电层和赝电容电极材料的有效耦合。为了进一步提高结构稳定性，在镍钴金属硫化物表面包覆了一层石墨烯薄层，构建了石墨烯包覆的镍钴双金属硫化物/分级多孔石墨烯基碳气凝胶复合结构，探讨了二者之间的界面电荷转移机制，为解决赝电容电极材料结构稳定性和循环稳定性差的问题提供了新思路，并为发展电池材料提供了材料基础。另外，基于环境保护和能源储存的理念，本团队设计制备了壳聚糖包覆的碳纳米管，该材料对重金属离子展现出了优异的吸附性能，吸附后的吸附剂煅烧后展现出了良好的电储存性能。该工作成功将环境污染物转换成了清洁能源，同时实现了环境污染治理和能源储存，也为其他污染物的转化利用提供了新思路；另外，在可再生资源的基础上再次制备了高电化学性能的分级多孔的碳气凝胶，为以后利用可再生资源制备超级电容器或者电池电极材料打下了基础。基于对过渡金属硫化物电化学性能和界面电荷转移机制的研究，本团队同时拓展了基于过渡金属硫化物和氢氧化物的复合材料在其他能源转换领域中的应用，并取得了一系列的成果。基于以上研究，项目负责人在Nanoscale、Chemical Communications等材料、化学领域重要期刊发表论文6篇，申请发明专利2项。