功能化石墨烯/Mxene微球型气凝胶的构筑与电荷储能机理的研究

Transition metal carbide (Mxene) and its nanocomposities in the application of supercapacitor have been a key point of research. This project aims to design and construct microspheric aerogel with heteroatom doped graphene and metal carbide loading by the utilization of heterogeneous interface effect to solve the unsatisfied stability issue of supercapacitor. The microspheric structure could increase the doping level of the graphene and loading mass ratio of Mxene, which can potentially enhance the electrochemical stability of electrode material. With this project, the systematical investigation of incorporating heteroatoms, Mxene and their synergistic effects will elucidate the regulatory mechanism of surface chemistry circumstances and electronic properties of micropsheric electrode materials. Furthermore, we will focus on studying the variation of electrochemical stability on the basis of differential morphology, structure and chemical composition of microspheric electrode materials, to prospectively obtain the way to design and construct the reliable and stable microspheric electrode materials. The ex-situ and in-situ spectroscopy experiments will be carried out to probe and analyze the charge storage mechanism of microspheric electrode materials during charge/discharge process. And it is expected to shed a light on the rational design of electrode material, which could provide the valuable insight and theoretical foundation for the preparation of stable microspheric electrode materials.

金属碳化物（Mxene）及其复合材料在超级电容器中的应用已成为研究的重点。本课题将针对超级电容器电极材料稳定性不足的问题，利用异质界面效应设计与构建非金属掺杂石墨烯负载金属碳化物微球型气凝胶。微球型结构能够实现提高非金属掺杂比例和Mxene负载量，以期到达提高电极材料电化学稳定性的目的。将以石墨烯与非金属单掺杂或者Mxene负载为出发点，系统研究非金属掺杂、Mxene负载、以及非金属掺杂和Mxene负载的协同增强效应对微球型电极材料的表面化学环境和电子性质的调控机制。重点研究微球型电极材料形貌、结构、组分比例等差异性与电化学稳定性之间的变化规律，以期获得可靠稳定的微球型电极材料的设计与构筑。拟采用原位和非原位光谱学等分析手段探讨微球型电极材料在充放电过程中的电荷存储机制，反馈并指导电极材料的理性设计与控制制备，为制备高稳定性的微球型电极材料提供一定的理论支持。

本项目通过剥离、喷雾法、冷冻干燥法和高温活化法相结合，制备了一系列非金属元素掺杂石墨烯、石墨烯/Mxene和功能化石墨烯/Mxene微球型气凝胶作为超级电容器的电极材料。研究了块状Mxene和剥离后的Mxene与石墨烯复合的形貌和分布，深入探索了所制备电极材料结构和电化学性能之间的构效关系。研究发现，剥离后的单层或少层Mxene更有利于活性位点的暴露，通过非金属掺杂和Mxene的协同增强效应，显著提升了电极材料的电化学性能。通过非原为XPS、原位Raman等，揭示了电极材料在充放电过程中的能量存储机制。异质结界面的生成是提高材料电化学稳定性的关键因素，该观点目前正通过理论计算进一步证实中。同时，探索了利用水热法和冷冻干燥法制备非金属掺杂石墨烯气凝胶负载过渡金属基复合材料，深入研究了材料的结构和组分比例对电化学性能的影响，通过测试后材料表面化学环境的变化和理论计算等，进一步验证了通过协同效应有效地提高了活性位点的活性。该项目中的部分材料的电化学性能已达到甚至超过部分商业化产品的标准，该成果成功拓展了表界面化学在储能领域的应用研究。..已完成该项目计划书的目标和各项指标，项目执行取得较好的研究成果，共发表SCI论文13篇，申请专利3项。多次参加国内学术会议，培养硕士研究生4名。此项目资助的其他成果在陆续的投稿中。