用原位液体室透射电镜技术研究纳米复合超级电容器电极材料的自组装合成机理

Preparation of composite materials with self-assembly method, based on liquid solution system, plays an important role in the fields of supercapacitors, lithium ion batteries, fuel cells, and green catalyses. It is hard for traditional characterization methods to perform real time high resolution observations on the assembly processes. Such restriction is not conducive to the understanding of the essential laws of assembly phenomenon, which hinders the research and development of nano composite materials..This project is devoted to utilize in situ liquid cell transmission electron microscopy, aiming at the problem that the supercapacitor materials are relatively limited in the energy storage density, which limit the scope of their applications, through high resolution real time study, to understand the reaction mechanism of the self-assembly process, and to explore new approaches to give full play to the composite advantages, and to the preparation of self-assembled composite supercapacitor materials with controllable morphology, high efficiency and high stability..It specifically includes: 1) choosing the metal sulfide/graphene (2D material) model material system, to optimize in situ liquid cell electron microscopy characterization methods for composite systems; 2) through real time dynamic analyses, to investigate the role of the interactions between different particles, the inter graphene layer capillary pressures, and the solvent evaporations, in the self-assembly synthesis processes, and to understand the self-assembly mechanism of the nano composite system from the single particle scale; 3) to establish self-assembly mechanism model, design and develop out supercapacitor materials with controllable morphologies/structures and excellent performances.

基于溶液体系用自组装法制备复合材料，在超级电容器、锂离子电池、燃料电池、绿色催化等领域发挥着重要作用。传统表征方法通常难以对组装过程进行高分辨实时观察，这种制约不利于对组装现象本质规律的认识，阻碍了纳米复合材料的研究开发。.本项目致力于利用原位液体室透射电子显微学方法，针对超级电容器材料能量存储密度相对有限，限制其应用范围的问题，通过高分辨实时研究，认识自组装过程的反应机理，探索发挥复合优势，制备形貌结构可控、高效稳定的自组装复合超级电容器材料的新途径。.具体包括：1）选用金属硫化物/石墨烯（二维材料）模型材料体系，完善复合体系的原位液体室电子显微学表征方法；2）通过实时动态分析，探讨各种颗粒间的相互作用、石墨烯层间毛细压强、以及溶剂蒸发等在自组装合成过程中所起的作用，从单颗粒尺度认识复合纳米体系自组装的机理；3）建立自组装机理模型，设计制备出形貌/结构可控、性能优异的超级电容器材料。

开展原位液体电镜的实时动态表征，分析液体中纳米颗粒的生长、刻蚀、组装机理，对打破传统研究方法的局限，深入了解纳米颗粒的生长途径、纳米材料的组装复合机理，发展高性能超级电容器材料等先进纳米材料，具有重要意义。本项目在利用原位液体电镜研究纳米材料体系的相互作用和变化机理、以及基于纳米材料体系的机理认识设计制备先进超级电容器材料两个方面循序渐进开展工作。通过原位液体电镜研究，我们阐明了液体中贵金属金多重孪晶纳米颗粒在单颗粒以至于单原子层尺度的生长途径、不同化学环境下贵金属钯纳米棒的氧化腐蚀机理、钯纳米团簇的动态稳定状态、金颗粒表面包覆复合机制、液体环境和电子束辐照对金/硫化镉复合体系的影响、以及金属硫化物/二维材料稳定复合的机制；开展设计构建工作，制备了高性能混合生物质活性炭超级电容器材料、发展简易自模板法合成了硫族化合物Cu7Se4-CuxCo1-xSe2双层空心结构材料、发展一步选择性化合工艺制备了ZnO-CoSe2纳米材料、在双金属氧化物NiCo2O4蜂窝纳米片层结构上复合CuO/Cu2O纳米颗粒、以及设计制备了高性能NiS/二维纳米片复合材料。所制得的NiS/V2O5纳米片复合材料在1 A/g下比电容达到2553 F/g。为改善倍率性能，向其中加入少量石墨烯制得的NiS/V2O5/石墨烯复合材料在20 A/g下保持了979 F/g的比电容，是未加石墨烯样品的4.4倍。原位液体电镜实时动态表征对获取纳米材料合成变化过程的直接证据，阐明微观机理具有关键的科学价值。借鉴从原位电镜获得的新认识，设计制备新材料，为高性能超级电容器等领域的材料合成制备研究拓宽了新道路。本项目发表国际期刊论文15篇（含多篇封面论文，被引超过110次），学术专著章节1章，做国际会议报告6篇，获国家授权专利2项、国家公开专利2项，培养博士生3人、硕士生20人。