超薄MXene限域零维过渡金属氧化物层级结构纳米复合材料的可控制备及其储能性质研究

Hybrid supercapacitors are powerful competitors for the next generation of energy storage systems and have important research value. However, the slow dynamic process and poor structural stability of battery-type electrode limit its rapid development. In order to solve the above problems, this project proposes to prepare ultrathin MXene limited zero-dimensional transition metal oxide nanocomposite electrodes with hierarchical structure by sacrificing template method. Multidimensional synergistic effect and physical confinement effect are used to accelerate the electrode dynamics process and enhance the stability of nanostructures. The project will select Ti-based MXene and Ni, Co-based transition metal oxides as the research objects. We will study the preparation of composite materials and clarify the regulation of the preparation parameters on the micro-nanostructure of composite materials. The electrochemical performance of composite materials will be evaluated via electrochemical methods. Further, we will try to reveal the energy storage mechanism, dynamic process of electrode reaction and the structure-activity relationship between the structure and properties of composite materials. Flexible all solid-state hybrid supercapacitors will be constructed and evaluated. This project will provide theoretical and experimental basis for the design and fabrication of hierarchical nanocomposite electrodes for high performance hybrid supercapacitors.

混合超级电容器是下一代能源储存体系的有力竞争者，具有重要的研究价值。但是电池型电极动力学过程缓慢且结构稳定性差限制了其快速发展。针对上述问题，本项目提出通过牺牲模板法，制备具有层级结构的超薄MXene限域零维过渡金属氧化物纳米复合材料电极。利用多维度协同效应和物理限域效应加快电极动力学过程，增强纳米结构稳定性。项目将选取Ti基MXene和Ni、Co基的过渡金属氧化物为研究对象，研究复合材料的制备，理清制备过程工艺对复合材料微纳结构的调控规律；评价复合材料的电化学性能，揭示其储能机理，明确电极反应的动力学过程，阐明复合材料结构与性能之间的构-效关系；构筑柔性全固态混合超级电容器并评价其性能。为高性能混合超级电容器层级结构纳米复合材料电极的设计与制备提供一定的实验和理论基础。

随着新能源领域的快速发展，对储能器件提出了更高的要求，电极材料在储能器件中起到了至关重要的作用。超级电容器电极材料中电池型电极材料可以提供高比容量，弥补超级电容器容量缺陷，特别是镍钴基化合物成本低且理论容量大。但是电池型的电极材料存在电极动力学过程缓慢和稳定性差等问题。本项目针对上述问题通过结构设计，制备具有中空结构的基于镍钴的LDH和MOF材料。中空结构具有大的比表面积，可以提供充足的氧化还原反应微店解决动力学过程缓慢的问题，使电极材料具有大的比容量，制备的空心球结构的NiCo-LDH、NS-120和Ni/Co-MOFs比容量分别为1962 F g-1、2329.2 F g−1和828 C g-1。纳米复合材料的制备可以发挥材料间的协同效应使电极材料同时具有高容量和高稳定性，本项通过原位合成的方法分别制备了一维的Co-CH@Ni-MOFs核壳异质结构以及Ti3C2作为基底诱导合成的Ti3C2/MOFs和NiCo-LDH/Ti3C2。原位合成可以大大降低复合材料的界面效应，有利于电子传输增强电极的导电性同时材料间的限域作用可以为电极的氧化还原反应结构变化提供缓冲空间增加电极稳定性。Co-CH@Ni-MOFs、Ti3C2/MOFs和NiCo-LDH/Ti3C2的比容量分别为1246 F g-1、1124 F g−1和1030F g-1.筛选了五种具有优异性能的电极组装超级电容器，超级电容器的比容量均在120 F g−1以上，最高达到166 F g−1。在800W kg−1的功率密度下能量密度均在52 Wh kg-1以上，最高达到63 Wh kg-1。通过本项目的顺利实施证明了中空结构及纳米复合材料的优势，开发了纳米复合材料的原位合成技术，为后续的研究提供理论基础。设计合成的电极材料具有极大的应用前景。