自组装一步构建LDH/磺化石墨烯及其超级电容性能的研究

The heterogeneous composite will be fabricated by a self-assembly process based on the electrostatic interaction between Ni-Al LDH(layered double hydroxide) and sulfonated graphene. The covalently functionalized composition of sulfonated graphene will be tuned to regulate its dispersity and anionically charged surface, facilitating the exchange reaction between sulfonated graphene and interlayer anions of Ni-Al LDH. The transfer process of electrons between Ni-Al LDH and sulfonated graphene will be accelerated via the establishment and enhancement of the electrostatic interaction between sulfonated graphene and Ni-Al LDH. Meanwhile, exfoliated Ni-Al LDH served as a positive center can induce dispersed sulfonated graphene to form the stack structure, contributing to the formation of the sandwich structure in the composite materials with the increase of electrons and ions transport channels during the electrochemical reaction process. By the optimization of the self-assembly process, this project will determine the covalently functionalized composition of sulfonated graphene and the interlayer anionic species of Ni-Al LDH, which are suitable for the self-assembly process between Ni-Al LDH and sulfonated graphene. The characterization of the composite material will be developed to reveal the mechanism of the self-assembly process in terms of the composition, the morphology and the structure. The electrochemical measurements of the composite material will be carried out, evaluating its energy density, power density, cycling stability and so on for supercapacitor. Moreover, it will be explored the effect of the structure and morphology in the composite material on the mechanism of the electrochemical energy storage process.

本项目基于Ni-Al LDH（层状双金属氢氧化物）与磺化石墨烯之间的静电作用，拟采用自组装的方法生成由二者构成的异质复合材料。通过改变磺化石墨烯中阴离子的共价键功能化形式，调控其分散稳定性和负电荷表面特性，以实现磺化石墨烯与Ni-Al LDH层间阴离子的交换反应，构建并增强磺化石墨烯与Ni-Al LDH间的静电作用，有望提高异质组分间的电子转移能力。同时，剥离的Ni-Al LDH作为正电荷中心可以诱导分散的磺化石墨烯形成堆积结构，有望构建复合材料的夹层结构以增加其在电极反应过程中的电子和离子传输通道。优化自组装工艺，明确适宜自组装过程的磺化石墨烯功能化结构与Ni-Al LDH层间阴离子形式，开展复合材料的组成、形貌和结构分析，揭示异质复合材料的自组装制备机制，并对复合材料进行电化学分析，评价其能量密度、功率性能和循环稳定性等超级电容器关键技术指标，探讨复合材料结构和形貌对其储能机制的影响。

围绕二维复合材料自组装方法的研究目标，我们基于异相组分合成方法的精细设计主要完了镍铝双金属氢氧化物/硝氨共价键修饰石墨烯复合材料、镍钴双金属氢氧化物/磺化葡萄糖共价键石墨烯复合材料的自组装方法研究与储能性能分析。此外，我们在石墨烯基自组装复合材料的研究基础上，利用液-液两相界面上的沉淀反应制备了结构可控的Ni0.55Co0.45C2O4固溶体材料，并详细分析了固溶体结构对电荷储存过程的作用规律。. 自组装石墨烯复合材料的结构研究表明，共价键修饰石墨烯表面的负电性官能团可以在自组装过程中有效增加LDH主体层板中三价镍离子的比例，进而为复合材料的电池型储能行为提供充足的表面活性位点和离子传输通道。同时，基于复合材料的三维片层结构，镍铝双金属氢氧化物/硝氨共价键修饰石墨烯和镍钴双金属氢氧化物/磺化葡萄糖共价键石墨烯复合材料在电流密度为1 A g-1时的比容量可以分别达到975和1177C g−1。此外，我们组装了以自组装石墨烯复合材料为正极，活性炭为负极的混合超级电容器。两种复合材料的混合超级电容器在功率密度约为800 W g-1的工作条件下，输出的能量密度均大于40 Wh kg-1。本项目所涉及的自组装石墨烯复合材料研究工作，避免了传统石墨烯复合材料组装过程中的连续还原工艺，不但简化了复合材料的制备工艺，而且可以有效的增强电池型材料与石墨烯之间的键合作用。. Ni0.55Co0.45C2O4固溶体电极材料的研究表明，固溶体中镍和钴元素的交替排列加快了电化学反应过程中的离子扩散过程，增强了电解质中的活性离子与电极中的活性位点之间的相互作用。重要的是，Ni0.55Co0.45C2O4固溶体与机械混合物相比可以更为有效的增加电极材料表面法拉第反应对储能反应的贡献，继而能够表现出更高的容量和倍率。电化学性能分析表明，Ni0.55Co0.45C2O4固溶体在1 A g-1的电流密度下，其比容量可以达到562 C g-1。此外，以Ni0.55Co0.45C2O4为正极、活性炭为负极的不对称超级电容器在输出功率为799 W kg-1时，其能量密度可以达到38.5 Wh kg-1。Ni0.55Co0.45C2O4固溶体依靠其良好的电化学性能有望成为一种新型的潜在超级电容器材料。