分子尺度异质组装超晶格纳米复合材料用于高性能超级电容器

Ever increasing energy demand worldwide on finite fossil fuel resources has accelerated the pursuit of alternative energy conversion/storage systems. Supercapacitors are the most promising alternatives due to their high power densities. However, the typical low energy density and specific capacitance hinder their practical application. Hence, exploring novel electrode materials for supercapacitor with high performance becomes more and more imperative. In this project, focused on transition metal compounds, we plan to investigate the systematic optimization strategy of active sites and electric conductivity by analyzing the restrictive factors of the electrochemical processes, and further realize the function-oriented design and performance optimization of novel electrode materials for supercapacitor with high performance. By means of control of growth, intercalation, selective etching and exfoliation, the ultrathin two-dimensional materials can be prepared with active sites rationally modulated; electric conductivity of materials can be enhanced by heteroassembly and hybridization with other highly conductive materials at molecular-scale, which improve the efficiency of charge transfer, thus to achieve its optimization of electrochemical performance. A further study on relationship between structure, composition and performance will be conducted, and new ideas for designing new high performance supercapacitor electrode materials will be provided.

随着传统化石能源的日渐枯竭，寻找新的可替代能源转化/存储系统已迫在眉睫。具有高功率密度的超级电容器是众多可替代品中最具潜力的一种。然而其较小的能量密度和电容量不利于其实际应用。因此，开发新型的高性能超级电容器电极材料显得至关重要。在本项目中，申请者拟以过渡金属氢氧化物和碳化物为研究对象，通过分析电化学过程中的制约因素，探究活性位点与材料导电性的协同优化策略，实现高性能超级电容器电极材料的功能导向性设计与性能优化。拟通过控制生长、插层剥离、选择性刻蚀等途径制备超薄二维材料实现活性位点的可控调制；通过与高电导材料在分子尺度上异质组装、复合杂化等方法实现整体材料电子传输能力的提升，提高电荷传输效率，实现对其电化学性能的优化；并进一步研究结构组成和性能之间的关系，为导向性设计新型高性能超级电容器电极材料提供新思路。

建筑物和加热设备等高能量消耗不仅带来能源浪费也给环境造成污染。因此使用高性能的隔热材料来减少能量损耗对于建设环境友好和节约型社会来说非常重要。具有高孔隙率，低密度和大比表面积的气凝胶具有极低的热传导率而被经常用来做隔热材料。常见的高分子隔热材料来源于石油基化合物，不仅不可再生，其废弃物还会对环境造成污染，并且易着火而容易引发火灾等。常见的无机物隔热材料通常导热率高隔热性能差，并且还会带来大量的粉尘污染，对人体健康直接造成严重危害。因此开发绿色健康高性能的隔热材料尤为迫切。在本项目中，具有优异的力学性能，抗水性能，和隔热性能的基于可再生的几丁质纳米纤维的超轻气凝胶被制备出来。该几丁质气凝胶具有很低的并且可调的密度（10−50 mg/cm3），高强的力学刚度（比压缩模量高达30.2 MPa cm3/g），较低的热传导率（27.2 mW/m K）。通过简单的表面硅烷化改性，得到的改性气凝胶表现出高疏水性（接触角>130o），高强的力学强度（比压缩模量高达65 MPa cm3/g），优异的隔热性能（热传导率在30.5-35.8 mW/m K）。此外，我们研究了密度对其结构，力学性能，隔热性能的影响关系，明确了密度对性能调控的重要性。该项目的实施，为未来生物质基气凝胶在绿色健康高性能保温隔热领域的应用，提供了实施的可能性和理论基础。