铌基氧化物/三维石墨烯纳米复合材料的构筑及其锂（钠）离子电容性能研究

Supercapacitor has been recognized as a very promising new green energy storage device due to its high power density, long cycle life, environmental-friendliness and safety. To develop a novel aqueous Li-ion/Na-ion supercapacitor, this project will focus on the fundamental scientific issues related to the design and synthesis of Nb-based oxides/3D graphene nanocomposites as well as their electrochemical performance. In this project, we will prepare the Nb-based oxides/3D graphene nanocomposites with porous or hollow structures at large scale by using low-cost solvothermal synthesis or solution phase self-assembling methods. The Nb-based oxides include Nb2O5, TiNb2O7, and LiNbO3. The influences of various reaction parameters on the compositions and morphologies of Nb-based oxides/3D graphene nanocomposites will be investigated systematically, and the formation mechanism will be proposed. We will make a systematical investigation on the relationships between the compositions and morphologies of the Nb-based oxides/3D graphene nanocomposites with their electrochemical performance in aqueous electrolyte. The energy storage mechanism will also be explored in depth. The asymmetric aqueous Li-ion/Na-ion supercapacitors will be fabricated by using the high-performance Nb-based oxides/3D graphene nanocomposites as anode and the carbon-based materials as cathode. Their electrochemical performance including energy density and power density will be investigated in details. It is expected that this research results will have instructive significance on the design and fabrication of low-cost, high-performance, and green electrical energy storage devices.

超级电容器具有功率密度高、使用寿命长、安全环保等优点，是一种新型绿色储能装置。本项目以探索新型水系锂（钠）离子超级电容器为目的，围绕高性能铌基氧化物/三维石墨烯纳米复合材料的设计合成及影响其电化学性能的基础科学问题开展工作。拟利用溶剂热原位合成或液相自组装法大面积、低成本制备具有特殊形貌结构（如多孔结构、中空结构）的铌基氧化物/三维石墨烯纳米复合材料，系统研究不同反应条件对其形貌结构的影响，深入探讨其生长机理；系统研究纳米复合材料的化学组成和形貌结构与其电化学性能之间的“构-效”关系，阐明其储能机理；选择具有优良性能的铌基氧化物/三维石墨烯纳米复合材料作为正极，以碳基电极材料作为负极，组装非对称型水系锂（钠）离子超级电容器并研究其能量密度和功率密度等电化学性能。研究结果将为低成本设计制造高性能绿色储能元件提供新的思路和科学理论依据。

锂（钠）离子电容器具有快速充放电、能量/功率密度高、使用寿命长、安全环保等优点，是一种新型绿色储能装置。本项目以探索新型高性能锂离子电容器为目的，围绕铌基/钛基氧化物及其三维石墨烯纳米复合材料的精准构筑及影响其电化学性能的基础科学问题开展工作。利用湿化学法成功制备了具有可控形貌结构的五氧化二铌、氮化铌、铌酸钠、铌酸钛、钛酸锌、钛酸铁和氧化铁等纳米材料，并将其与还原氧化石墨烯复合，构筑均一且具有致密界面的纳米复合材料；系统研究了不同反应条件对其形貌结构的影响，深入探讨其生长机理。所合成的样品作为负极材料组装成纽扣式半电池和全电容器，测试了其电化学性能，并系统深入地研究了纳米复合材料的化学组成和形貌结构与其电化学性能之间的“构-效”关系，阐明其储能机理。研究结果表明制得的均匀纳米复合材料具有以下优点：rGO的引入可以显著增大复合电极材料的比表面积（5~7倍），使其具有更多的锂离子存储位点，从而获得更高的比电容量；两者之间形成的致密界面使其具有更高的导电性能和锂离子扩散速率，从而得到更优异的倍率性能；rGO可以有效地抑制金属氧化物/氮化物的团聚，使其具有更长的循环使用寿命。研究成果可以为低成本设计制造高性能绿色储能元件提供科学理论依据。此外，本项目中均匀纳米复合材料的制备方法简便易行，具有很好的普适性，并通过此方法已合成出多种高质量的纳米复合材料，可以广泛应用于能源转化与存储、光/电催化及传感器等领域。本课题的工作已发表11篇SCI研究论文，其中6篇1区期刊论文和5篇二区期刊论文，另有6篇论文正处于审稿阶段；申请国家发明专利8件，获授权2件。在本项目的资助下，培养了2名外籍博士后，1名外籍博士研究生和7名硕士研究生，其中已有2名硕士研究生（李圣远和朱王芹）顺利毕业，并分别获得2019年度和2020年度江苏大学优秀硕士学位论文。