类石墨烯超薄二维（氢）氧化镍纳米材料的合成及其超级电容特性

Due to their high surface area, special structure, and excellent electrochemical activity, the graphene-like ultrathin nanostructured materials show many competitive advantages, especially as electrode materials for supercapacitor. In our research, NiO and Ni(OH)2 are chosen for their high theoretical capacity. We will investigate the controllable synthesis processing of these ultrathin two-dimensional nanostructures and their supercapacitive performance. In our recent work, large-scale α-Ni(OH)2 and NiO ultrathin nanosheets with 10-20 thickness were prepared for the first time through microwave-assisted solvothermal method. In particular, Ni(OH)2 exhibited a superhigh discharge capacity of 4325 F/g at the current density of 1 A/g, which is far more than the reported results in literature and beyond tow times of the theoretical capacity. Based on formation mechanism of these ultrathin nanosheets, we will research the structure-controlled mechanism related to layer thickness, porosity and surface area, and further develop a versatile and efficient strategy for synthesizing ultrathin 2D nanostructured oxides, extending their species from inorganic layered compounds to non-layered transition metal oxide. We will focus on electrochemical behaviors of the as-synthesized 2D NiO and Ni(OH)2 nanosheets and relationship with their microstructure serving as activated materials for electrode in supercapacitor, to explore the state-of-the-art supercapacitor with ultrahigh energy and power density, to develop great potential of nanotechnology and material for application in energy conversion and storage devices.

由于具有较高的比表面积和优良的电化学活性及结构，类石墨烯超薄纳米结构材料应用于超级电容器材料具有很大的优势。本项目选择具有较大理论容量的NiO和Ni(OH)2 作为研究对象，研究其超薄2D结构的可控合成及超级电容性能。在近期工作中，申请人采用微波辅助溶剂热法大量制备出厚度为10-20 nm的超薄NiO、Ni(OH)2 二维纳米片，在1A/g的电流密度下，Ni(OH)2的放电比容量达到4325 F/g，远大于文献报道的结果，且超过理论容量的二倍。本项目拟在研究超薄纳米片形成机理的基础上，研究片层厚度、孔隙率和面积的调控机制，开发一种普适性的超薄二维纳米氧化物合成方法，扩展应用于非层状结构氧化物的合成。研究2D NiO 和Ni(OH)2 纳米片作为超级电容器电极活性材料的电化学行为及其与2D 纳米结构的关系，开发具有超高能量和功率密度的超级电容器。发展纳米技术与材料在能量转换与存储方面的应用。

能源存储器件包括锂离子电池及超级电容器，其中超级电容器因为充电时间只需几秒而具有很强的优势，但普通超级电容器的能量密度很低，限制了其应用。提高超级电容器的容量成为材料科学工作者的研究目标。本项目就是为了制备具有高容量的超级电容器材料而进行的研究。二维超薄氧化物如氧化镍以及多元氧化物等相比于块体材料其超级电容器的容量具有大幅度的提高，本项目发展了一种可以大规模制备氧化物超薄二维材料的简单快捷的方法，即采用微波反应器在几分钟之内制备出厚度在1纳米左右的氢氧化物，再经过热处理形成超薄的氧化物或多元氧化物材料，如NiO, Co3O4，SnO2 以及 ZnCoO2, CuCoO2, NiCoO2等多元化合物。研究了这些化合物超级电容器的性能，发现其超级电容器的性能得到大幅度提高，均为相应材料中的最高值。以这些材料制备出实现的超级电容器器件如非对称的超级电容器器件，其能量密度超过80Wh/kg, 采用离子液体作为电解液，能量密度可以达到105Wh/kg. 发明了一种制备单层石墨烯的化学方法，为单层石墨烯的大规模制备及应用提供了新途径。