氧化锌/碳核壳结构纳米复合材料的制备及高压研究

Core-shell nanostructures have recently been subject to extensive research for the combined functionalities of cores and shells, which exhibit excellent properties due to their various chemical composition, tunable size and morphology, strong interactions and synergies between the core materials and the shell materials. These significant superiorities endow core-shell nanocrystals with great application potentials in various fields, such as optics, electronics, catalysis and pharmaceutical. In this project, ZnO nanocrystal as a core will be coated by different types of carbon based materials, which include porous carbon, graphene oxide and graphene. These carbon-based shells will act as efficient electronic conductive channels to improve photochemical and optical-electronic propertis of the ZnO@carbon nanocrystal. In addition, in situ measurements under high pressure will be carried out to investigate the changes of the crystal structure, the electronic state structure and the band gap. By finishing this project, we will get a better understanding of the relationship between the unique nanoconfigured structure and property. Moreover, this project can not only provide valuable informations under extreme conditions, but also develop the possible potential for practical applications.

由于核壳结构纳米复合材料的化学组分多样、尺寸和形貌便于调控、核壳间具有强相互作用及协同效应，使其显示出优异的物理化学特性。核壳结构纳米复合材料的研究是对已知材料性能进行优化，从而获取新颖的光学、电学、催化、载药等特性的重要手段，因此已成为诸多学科及交叉领域的研究热点。本项目拟采用不同类型的碳材料对氧化锌纳米材料进行包裹，对氧化锌/碳核壳结构进行系统的研究，利用碳材料优异的电学性质及其与氧化锌表面化学键的相互作用，制备出光电性能和光化学活性更加优异的纳米复合材料。此外，利用成熟的原位高压实验技术，探索压力对其晶体结构、电子结构和带隙等方面的影响，总结材料结构与其物理性质间的深层次关联和规律，从一个全新的维度深入探讨和认知核壳结构纳米复合材料，为拓展其在各个不同领域的应用，提高其光电和光化学性能，发现其在极端条件下的应用提供新途径。

核壳结构纳米复合材料的化学组分多样，尺寸和形貌便于调控，核壳间具有强相互作用及协同效应，使其显示出优异的物理化学特性，成为诸多学科及交叉领域的关注热点，并得到广泛研究。但是核壳结构的复合机制、合成条件、微观结构与宏观性质之间的构性关系等方面还存在诸多争议，有必要进行更加深入和系统的探索。本项目通过大量实验摸索了核壳结构的制备方法，完成了非晶碳/氧化石墨烯包裹不同形貌和尺寸氧化锌纳米复合材料的制备。通过各项表征手段测试了不同形貌、组分、纳米尺寸的氧化锌-碳复合材料在常温常压下的晶体结构、形貌与界面特征、分子振动特征、比表面积、孔隙率、带隙特征等物理化学性质。探索了氧化锌-碳纳米复合材料在光电转化和储能等方面的应用，发现了碳包覆能够有效防止氧化锌团聚，提高核壳结构体系整体稳定性，增强库仑效率，提高充放电过程中的可逆容量，显示了氧化锌-碳核壳结构在储能方面具有优异性能，有可能成为应用于能源与环境领域的重要材料。本项目的完成为指导核壳结构纳米复合材料的合成及性能调控提供了实验依据，为拓展核壳结构纳米复合材料在不同领域的应用提供了可能的思路。项目成果以论文和专利的形式体现。同时，在项目的执行过程中结合国家央财设备采购计划，在本单位搭建了多个可支撑公共服务的纳米材料制备和物理化学性质测试实验平台，培养优秀毕业生多名。