凝胶聚合物诱导制备碳纳米管基无机物纳米结构材料及其锂离子存贮性能研究

The hierarchical structure materials composed of nanosheets and mesoporous materials have become hot research topics in material field due to their unique structures and features such as large amount of void spaces, high specfic surface area and large amount of active sites. The application fields of nanosheets and mesoporous materials will be extended by complexing with functional materials such as high conductive carbon nanotubes(CNTs).For the current problems of monotonous compositions, difficult adjustmetn of contents and microstrucure for inorganic components on the synthesis of CNTs@mesoporous materials and CNTs@inorganic nanosheets materials. Based on our previous research works on mesoporous structure and nanosheets structure composite materials, we propose a controlled strategy: various polymers are growed on the surface of CNTs by using controlled polymerization methods firstly, then these polymers are converted into gel polymers with functional groups, which induce the growth of nanostructured inorganic materials on the surafce of CNTs, a general and effcient method of preparing the CNTs@nanostrcutrued inorganic materials will be developed,the relationships between compositions/microstructures and the performance of CNTs@nanostrucured materials for anode materials of lithium ions batteries will be studied, which can provide the support of the theory and experiment in practical applications.

纳米片组成的立体结构材料和介孔结构材料因其特殊的结构和性能已成为材料科学研究热点。它们都具有大量的空隙、高比表面积和丰富的反应活性点，实现这些纳米结构材料与其它功能材料如高导电性的碳纳米管（CNTs）进行可控复合将能够进一步扩展这类材料的应用范围。针对目前CNTs@介孔结构和纳米片结构复合材料制备方面存在的组成单一、无机物含量和微观结构不易调节等难点，在申请人前期关于介孔结构和纳米片结构复合纳米材料研究基础上，提出了更加可控的方法：通过可控的聚合技术在CNTs上生长聚合物，通过改性得到凝胶聚合物，利用凝胶聚合物中的功能基团的诱导作用，使纳米结构无机物优先在CNTs上生长，发展制备CNTs@介孔结构和纳米片结构复合材料的高效普适性方法，系统研究组成/结构对CNTs@纳米结构无机物复合材料锂离子电池负极材料性能影响，为其实际应用提供理论和实验依据。

纳米片@碳纳米管（CNTs）结构复合材料制备方面存在组成单一、无机物含量和微结构不易调节等难点。申请人利用凝胶聚合物中功能基团的诱导作用，对纳米材料的无机物组成和结构进行调控。发展了一种高效的普适性方法，在CNTs表面接枝凝胶聚合物，接着制备了CNTs/纳米片复合材料。制备的ZnCo2O4@CNTs材料，400 mA g-1的电流密度下，经过100个循环，其容量仍保持在1068 mA h g-1。 NiCoO2@CNTs材料，在作为超级电容器材料时，在10 A g-1的电流密度下，3000个循环后仍有1176 F g-1的容量；直接通过凝胶聚合物纳米管诱导制备具有纳米片结构的无机物复合材料，制备的NiO@无定形碳纳米管（ACNTs）材料，在作为锂离子电池负极材料时，800 mA g-1电流密度下经过300个循环后容量为1034 mAh g-1。NiCoO2@ACNTs材料，400 mA g-1电流密度下经过300个循环后容量为1309 mAh g-1；在类一维结构材料表面构筑分层级无机纳米片结构的复合材料。NiCo2O4@埃络石管在10 A g-1电流密度下，经过8600个超长循环后，仍保持有1728 F g-1的容量。NiO@CMK-3复合材料，在400 mA g-1的电流密度下，循环50次后，容量为848 mA h g-1。申请人在该基金的资助下，在Adv. Energy Mater., Chem. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Energy等知名期刊发表32篇学术论文，授权专利2项。