三维石墨烯-金属（氢）氧化物复合材料的设计及其全固态非对称超级电容器的应用研究

The growing energy demand requires supercapacitors have higher energy density and power density, good cycling stability and safety. The design of advanced electrode materials and the configuration of novel asymmetric supercapacitor are promising ways to improve the capacitive performances of supercapacitors. In this project, we are going to develop a facile and efficient method to prepare three-dimensional graphene foam supported metal hydroxide/oxide (e.g. Ni(OH)2, NiO) nanoplates as advanced electrode materials for solid-state asymmetric supercapacitors. On the basis of the electrostatic self-assembly and chemical bath deposition, a nano-costing method is designed for the adjustable deposition of metal hydroxide/oxide nanoplates on graphene foam prepared via a low-temperature reduction method. The three-dimensional and porous structure of graphene-metal hydroxide/oxide composites with the efficient electron and ion transport pathways will contribute to the synergistic effect between graphene and metal hydroxide/oxide nanoplates, rendering the fabrication of all-solid-state asymmetric supercapacitor with high performance.

为了满足日益增长的能源需求，超级电容器不仅要有较大的能量密度和功率密度，而且要有良好的稳定性和可靠性。设计制备高容量的电极材料和构建新颖的非对称型超级电容器是改善和提高超级电容器性能的重要途径。本项目从电极材料的设计出发，拟采用常压低温的还原方法制备三维石墨烯泡沫，并通过静电自组装和化学沉积相结合的纳米铸造方法合成三维石墨烯-金属（氢）氧化物（如氢氧化镍，氧化镍）多孔复合材料。旨在探讨金属（氢）氧化物纳米片在石墨烯表面的沉积规律，研究复合材料中电荷存贮过程与机理； 结合石墨烯比表面积大、导电性好的优点，充分发挥三维石墨烯-金属（氢）氧化物多孔复合材料的结构特点和协同效应，解决电极材料中电子和离子的传输问题，获得电容性能优异并具有良好结构稳定性的复合电极材料，用于构建高性能的全固态非对称型超级电容器。

为了满足日益增长的能源需求，急需具有更高能量密度和功率密度、良好稳定性和安全性的能源器件。制备高性能的电极材料是改善和提高超级电容器性能，并构建新颖的非对称型超级电容器的重要途径。本项目从电极材料的设计出发，通过界面氧化还原、静电自组装和电化学沉积等纳米结构合成方法，制备具有三维多孔结构的石墨烯基和其他碳基复合材料。充分发挥三维多孔复合材料的协同效用和结构特点，解决电极材料中电子和离子的有效传输问题，提高电极材料的储能性能，构建了性能优异的全固态非对称型超级电容器。. 首先，利用金属镍与氧化石墨烯间的氧化还原反应将氧化石墨烯的还原并沉积到镍线表面形成多孔的石墨烯水凝胶。同时，控制石墨烯表面氢氧化镍的沉积过程，合成石墨烯-氢氧化镍复合材料构建了非对称型超级电容器，提高其工作电压和能量密度，并具有了良好的柔韧性。以电化学沉积在石墨烯基底上沉积聚苯胺纳米棒，形成石墨烯-聚苯胺复合材料，将电极的电容性能提高了10倍。通过原位电化学拉曼方法检测储能聚苯胺分子结构的可逆变化，证明其稳定性，从而构建具有良好柔性的超级电容器。. 其次，以共沉积的方法在碳布表面分别沉积了CoHCF纳米颗粒和氧化钼薄层作为正、负极可以制备稳定的自支撑型混合超级电容器。同时，实验研究与理论计算相结合揭示了离子插层机理对二氧化锰储能性能的影响规律。优化多孔碳电极中锂离子插层过程和碘氧化还原反应储能机理，构建性能优异的碘碳混合电池。. 此外，利用碳材料结构形式多样的优点，以杂原子掺杂、表面修饰功能化方法设计合成氮磷掺杂石墨烯催化剂和石墨烯-氧化钴复合催化剂等，调控其氧气还原和析出反应的催化活性，实现了多功能催化剂的设计，并组装锌-空气电池。