多元活性金属LDH/石墨烯复合材料的设计、合成与超电容机制研究

Layered Double hydroxide(LDH) is a type of very promising pseudocapacitive electrode materials. But we still need to overcome some drawbacks of LDH such as poor electrical conductivity and unclear capacitance-forming mechanism. In this project, a series of LDH containing multi-component metals will be prepared. The relationship between the composition, structure of LDH and its capacitive behavior will be investigated intensively and the synergistic enhancing effect between different metal ions will also be studied, which will result in optimized designing rule for LDH electrode materials. Besides, we will design LDH/graphene composite materials containing nano-channels for high-speed transfer of both electrons and electrolyte ions. The effects of the composite structure on its capacitive behavior will be explored, thus resulting in the optimized designing rule for LDH/graphene composite electrode materials. Furthermore, advanced characterization means and electrochemical techniques will be employed to explore the variation of the physicochemical properties (such as crystal structure, valence of elements) of electrode materials during the charge and discharge processes. We will also investigate the charge-transfer mechanism and dynamics of electrolyte ions on the electrode surface, and disclose the capacitance-forming mechanism of the composite materials, providing theoretical basis for designing LDH-based electrode materials.

层状双金属氢氧化物（LDH）是一类极具应用潜力的赝电容电极材料，但存在导电性不佳、电容机制不明确等问题。本课题设计合成几类多元活性金属LDH，研究LDH组成、结构与其电容特性之间的关系，探讨多元活性金属离子之间的协同增强效应，得出多元活性金属LDH电极材料的优化设计原则。在此基础之上，设计多元活性金属LDH/石墨烯复合材料，同时构筑电子和电解质离子高速传输的纳米通道。研究LDH/石墨烯复合电极材料的结构与其电容特性之间的构效关系原理，提出复合电极材料的优化设计原则。综合利用先进的表征手段和电化学测试技术，探索充放电过程中电极材料理化性质（如晶体结构、元素化合态等）的变化规律，研究电解质离子在电极材料表面的电荷转移机理和动力学特性，揭示电极材料的电容形成机制，为LDH基复合电极材料的设计提供理论依据。

清洁能源的迫切需求和现代电子技术的快速发展导致储能技术的广泛研究，超级电容器就是其中之一。其中，最重要的部分就是设计制备优异电容性能的电极材料。层状双金属氢氧化物（LDH）具有可调节的组成、结构和形态，是一类极具应用潜力的超电容电极材料，受到学者们的广泛研究，但其存在导电性不佳、电容机制不明确等问题。本课题设计合成了几类多元活性金属LDH，研究了LDH组成、结构与其电容特性之间的关系，探讨了多元活性金属离子之间的协同增强效应，得出了多元活性金属LDH电极材料的优化设计原则。在此基础之上，设计了多元活性金属LDH/石墨烯复合材料，以及其他多种类型的复合材料，同时构筑了电子和电解质离子高速传输的纳米通道。研究了LDH/石墨烯以及其他几类复合电极材料的结构与其电容特性之间的构效关系原理，提出了复合电极材料的优化设计原则。综合利用先进的表征手段和电化学测试技术，探索了充放电过程中电极材料理化性质（如晶体结构、元素化合态等）的变化规律，研究了电解质离子在电极材料表面的电荷转移机理和动力学特性，揭示了电极材料的电容形成机制，为LDH基复合电极材料的设计提供了理论依据。基于项目研究，共发表学术论文27篇，获得授权的发明专利4件，获得两项省部级科学技术奖励。