异质结构金属氧化物复合纳米线阵列的构筑及电化学电容行为研究

Heterostructured metal oxides have been of great scientific and technological interests due to their high versatility and applicability as essential components in energy conversion storage devices. This proposal is to present the high performance of a pseudocapacitor electrode on the conductive substrates. In our case, 1D Co3O4 nanowire acts as the backbone, NiO, Ni(OH)2 and Co(OH)2 nanoflake shells are synthesized with a hierarchical and porous morphology, which will be enhanced the structure stability and enlarge the surface area of the electrodes. The “oriented attachment” and “self-assembly” formation mechanism are investigated. The influences of time of the crystal growth and the variety of the conductive substrates will be researched in detail. Moreover, the effect of bonding between the core and shell materials as well as pore volume, pore size, specific surface area of the electrodes are also to be studied. Simultaneously, the electrochemical performance and synergistic effect between the core and shell will be analyzed. Subsequently, the important criterion for a supercapacitor such as specific capacitance, reacted conversion and long life will be discussed to propose the mechanism between the morphology and electrochemical properties, which will help to construct the heterostructured metal oxides, and put forward reliable data and theoretical foundation based on construction of supercapacitor energy conversion storage devices system.

异质结构金属氧化物复合材料是现在能量存储转换领域研究的热点之一，本项目提出了以一维Co3O4纳米线阵列为骨架，NiO、Ni(OH)2和Co(OH)2等分级和多孔壳层的控制合成提高材料结构的稳定性和活性物质的比表面积，建立导电金属基底原位生长体系，构筑高性能超级电容器电极材料。研究壳层材料的定位生长和自组装过程，以及晶体生长时间，导电基底种类对材料形貌的影响，研究核壳材料之间的键合作用，材料的孔容、孔径和比表面积对电化学过程中离子和电子交换能力的影响，探索复合材料在超级电容器能量存储过程中的电化学行为，分析异质材料之间的协同作用机制，研究影响电极比容量、可逆性和长循环寿命的主要因素，以实现异质结构过渡金属氧化物复合电极材料的构筑，并为高性能超级电容器能量存储体系的构建提供可靠的数据和理论基础。

课题研究通过原位生长的自组装行为，致力于构筑核壳结构金属氧化物/氢氧化物复合材料，同时，扩展形成不同形式且具有优良电化学电容性能的赝电容复合体系，并力求从热力学和动力学相结合的观点阐述材料结构和其电化学性能之间的关系。基于课题所设计的科学问题，我们一方面沿着课题原有的思路，通过自组装行为制备性能优异的电极材料，另一方面，我们也对课题进行了深入思考，拓宽研究的广度和深度，尤其是利用多组分的协同增效作用，弥补单一组分在导电性、离子渗透率等方面不足，进而获得环境友好高性能的超级电容器电极材料。通过该项目的研究获得了系列重要研究结果和数据:.(1) 通过电化学合成方法与液相合成相结合，在导电基底上成功实现了系列金属氧化物复合材料纳米线、纳米片阵列的构筑，并实现了形态、组成及结构的人为控制。.(2) 揭示了多孔纳米过渡金属氧化物/氢氧化物的电化学沉积机理，研究核壳材料之间的键合作用，材料的孔容、孔径和比表面积对电化学过程中离子和电子交换能力的影响。为发展一种简单、环保高效的金属氧化物核壳阵列材料奠定了扎实的理论基础。.(3) 探讨了核壳复合材料的结晶态、纳米线取向、形貌规整度、电沉积时间等对核壳复合纳米线阵列电容性能、阻抗及循环稳定性的影响规律，实现了复合纳米线阵列的电容性能及循环稳定性的优化和调控。.(4) 系统深入研究了二维片层核壳结构的组成、结晶态等对单电极电化学性能的影响，同时利用活性炭电极组装超级电容器，为混合电容的性能研究提供一些数据。.综上所述，我们对金属氧化物/氢氧化物核壳阵列结构复合材料的比容量、阻抗及循环稳定性进行了优化，为开发类商业化超级电容器提供了重要的理论及技术指导。