一维石墨烯折叠结构的可控构筑及其储锂性能研究

Graphene is a new carbon nanomaterial that has excellent physicochemical properties, which makes it promising for the applications of energy storage and conversion. In the practical applications, individual graphene nanosheet tends to aggregate into diverse forms that leads to a variety of graphene assemblies with different structures and properties. Based on the conformational changes of two dimensional (2D) graphene nanosheet, an ice crystals guiding folding process in the confined space is proposed in this research to desgin one dimensional (1D) folded graphene architecture. The graphene folding mechanism will be revealed to elucidate the key control factors for the configurational change from 2D nanosheet to 1D folded structure. Subsequently, a generalized approach to encapsulate aiming electrical chemical active nanomaterals into the folded graphene structure will be developed by taking advantage of graphene oxide air bubbles as the precursor. The relationship between the material structure and the Li storage property will be fully investigated to optimize the structure design and property improvement of energy storage materials. The present project will lay a foundation for rational design and synthesis of high performance graphene based Li ion battery anode materials.

石墨烯作为一种新型碳纳米材料以其优异的物理化学性能，在能量储存与转化领域展现出广阔的应用前景。实际应用过程中，石墨烯片层堆叠形式不同导致其最终的结构形态和性能差异巨大。本项目从石墨烯的形态演变规律出发，通过限域空间内结冰过程诱导的片层折叠机制，可控构筑一维石墨烯折叠结构；揭示石墨烯片层的折叠机理；阐明二维纳米片向一维度纳米折叠形态转变的关键控制因素；利用气泡液膜的限域作用建立构筑复合型石墨烯折叠结构的通用技术，将电化学活性物质包覆到一维的折叠结构之中；深入探讨电极材料微结构与其储锂性能之间的构效关系，实现能源材料的结构控制与性能优化，为设计和制备高性能石墨烯基锂离子电池负极材料奠定基础。

石墨烯在能源、环境和电子器件等领域展现出广阔的应用前景，以二维石墨烯片为基础构建不同尺度和维度的自组装结构对于上述实际应用至关重要。基于石墨烯的多维度组装思想和高性能储锂材料的迫切需求，本项目开展了一维石墨烯折叠结构的可控构筑及其储锂性能研究。项目研究过程中首先发现一种新型的石墨烯形态—折叠形态石墨烯纳米带。原位纳米力学测试表明纳米带具有超弹性，可经历反复压缩和弯曲后而不发生明显形变，外力撤去后其瞬间（<35 ms）恢复到原始状态。通过对一维度石墨烯折叠结构形成过程的探索，本研究提出限域空间内结冰过程诱导的片层折叠机制。研究并证实限域空间内（如气泡液膜的限域空间）骤冷条件下，各项异性冰晶的形成过程能够诱导挤压片层氧化石墨烯结构发生扇形折叠，最终形成紧凑的一维带状结构。本研究不但提出构筑石墨烯自组装结构的新方法，基于此机理还提供一种制备一维石墨烯包覆结构的通用策略。通过此方法能够将各种不同功能性纳米粒子（如：TiO2，Fe3O4）包覆到一维石墨烯纳米带之中形成不同功能化的一维复合石墨烯纳米带，以便于后续更广范围的应用。石墨烯纳米带包覆Fe3O4纳米粒子的复合物作为锂离子电池负极材料表现出优异的倍率性能（5A g-1电流下比容量保持为390 mA h g-1）和循环性能（600次循环后比容量保持为702 mA h g-1），比同等条件下片层的石墨烯复合物性能提高两倍。本研究通过发现新结构，提出和证实新的反应机理，继而利用该机制构筑出性能优越的锂离子电池负极材料，为进一步开展实际应用研究奠定基础。