磷烯/导电聚合物复合电极材料的可控制备及其超电性能研究

Phosphorene, a new kind of the two-dimensional nanosheet material, has shown outstanding potential as a candidate electrode material in many fields such as lithium ion battery and super-capacitor due to its the advantages in the aspects of electrical conductivity, specific surface area and the electrochemical performance. Based on the preparation of few layers phosphorene, a novel phosphorene/conductive polymer composite electrode material will be synthesized by in situ chemical grafting polyaniline to phosphorene surface. The bondings of between polyaniline and adjacent phosphorene molecules can effectively improve the conductivity and pseudo capacitance of the composite electrodes, produce a synergistic effect of double electric layers capacitance and pseudo capacitance, and increase the energy density, through the formation of protective film on etching phosphorene from the trace water and air, reduction of the contact resistance of the electrode interface and non-aqueous electrolyte, and prevention of re-aggregation of phosphorene nano flakes. In order to provide new approach to the high performance super capacitor, Preparation of phosphorene/graphene sandwich composites and their electrochemical properties for lithium ion capacitor will be studied since a fact of that lithium ion can rapid insertion and extraction between phosphorene sheets.

磷烯是新型二维纳米片层材料，在导电性、比表面积及电化学性能等方面具有优势，有望在锂离子电池及超级电容器等方面得到应用。本项目在研究少层磷烯纳米片制备的基础上，通过将聚苯胺原位化学接枝到磷烯表面的方法制备磷烯/导电高分子超级电容器新型电极材料。聚苯胺与相邻磷烯纳米片材的键联，通过形成对微量水和空气的保护膜，降低界面与非水电解液的接触电阻以及防止磷烯纳米片的再凝聚的方法，有效地提高复合电极的导电性及赝电容，产生双电层电容及赝电容的协同效应，提高超级电容器的能量密度。基于磷烯与锂离子之间具有的快速嵌入与脱嵌特征，本项目制备磷烯/石墨烯的夹层复合材料，考察磷烯复合电极在锂离子混合电容器中的性能，为制备新型高性能超级电容器提供新途径。

磷烯是新型二维纳米片层材料，在导电性、比表面积及电化学性能等方面具有优势，有望在锂离子电池及超级电容器等方面得到应用。然而，许多亟待解决的科学和技术问题严重阻碍着黑磷烯的各种应用，如黑磷的低成本规模制备，黑磷烯的快速高质量的剥离及规模制备技术，黑磷烯在电化学储能应用中遇到的许多科学问题。我们在本项目中针对黑磷快速剥离技术，黑磷烯改性，黑磷烯复合电极制备及其电化学性质等领域进行了深入的研究，取得了许多重要的研究进展。另外，对黑磷烯在聚合物阻燃领域的应用也进行了初步研究。本项目在研究黑磷的化学反应特性的基础上，开发了从黑磷制备磷烯的电化学剥离技术及膨胀剂插入剥离技术，这2项技术已经获得中国发明专利授权2项，是国内首个黑磷烯制备技术的专利授权。采用电化学剥离技术制备的黑磷烯具有尺寸大（是液相剥离磷烯尺寸的200倍），制备时间短（剥离时间缩短了1000倍以上），大幅度降低了与水氧的接触时间，保障了黑磷烯制品的质量。采用膨胀剂内插入后外场加热膨胀剥离技术，使剥离成本大幅降低，避免了有机溶剂污染黑磷烯样品。此外，我们研究了黑磷烯分离方法，采用螺旋喷雾干燥技术，获得了黑磷烯固体粉末样品。通过将聚苯胺原位化学接枝到磷烯表面的方法制备磷烯/导电高分子超级电容器新型电极材料。聚苯胺与相邻磷烯纳米片材的键联，可以形成对微量水和空气的保护膜，降低界面与非水电解液的接触电阻以及防止磷烯纳米片的再凝聚的方法，有效地提高了复合电极的导电性及赝电容，产生了双电层电容及赝电容的协同效应，提高了超级电容器的能量密度。黑磷低成本规模制备技术是制约黑磷（烯）拓宽应用领域及进行产业化应用的技术瓶颈，项目组对此进行了广泛深入的探讨，取得了重要进展。并以这项技术为背景，参加了高层次人才创业大赛，获得一等奖，正在落实项目成果的转化及产业化。