具有分级结构的金属氧化物@多孔碳/导电高分子复合电极材料的设计、合成及其电化学性能

Electrode material is a cruical factor influencing the performance of supercapacitors.Synthesis of high-performance electrode materials has become an urgent scientific and technical problem.This project aims at developing hierarchical metal oxide@porous carbon/conducting polymer nanoporous electrode materials with high performance combined with their synergistic effect.Firstly, the metal oxide@carbon composite was obtained using hierarchical metal oxide (MnO2,NiO,TiO2) nanoparticles as core via organic-inorganic assembly,carbonization processing.Then the conducting polymer nanofiber arrays were grown on the surface of metal oxide@carbon via soft-template and chemmical oxidative polymeriation method.The formation mechanism and structural control of the hierarchical metal oxide and carbon were investigated.The inherent mechanism of conducting polymer nanofibers deposited on the porous carbon was also clarified.Investigation of the relationship between the microstructure and electrochemical properties of the nanocomposites,and establishment of the adaptability between storage mechanism and electrolyte will provide a new theoretical foundation and explorative methods for the application of high energy density supercapacitor

电极材料是决定超级电容器性能的关键，如何制备高性能电极材料是亟待解决的关键科学和技术问题。本项目旨在设计、制备一种具有分级结构的金属氧化物@多孔碳/导电高分子纳米复合电极材料，实现材料结构与性能的耦合，显著提高其电化学性能。拟以分级结构金属氧化物（MnO2、TiO2、NiO）为核，采用有机-无机自组装、碳化处理等手段在其表面包覆分级结构多孔碳薄层，然后利用软模板自组装、化学氧化聚合法实现导电高分子（聚苯胺、聚吡咯）纳米纤维阵列在金属氧化物@多孔碳复合物表面生长，制备金属氧化物@多孔碳/导电高分子纳米复合材料。深入研究分级结构的形成机理及控制方法；阐明导电高分子纳米纤维在多孔碳表面生长机制；探讨纳米复合材料的微观结构与其电化学性能之间的内在联系，建立复合电极材料的储能机理及其与电解液的适配性原则，实现复合材料电化学性能的人工调控及优化，为高性能超级电容器的开发与应用提供新的思路和实验基础。

制备高性能的复合电极材料以提高储能器件的能量密度及功率密度一直是材料化学、能源研究领域的热点与难点。在国家自然科学基金面上项目的资助下，本项目围绕电极材料的结构优化与其电化学性能间的构效关系，建立可控制备具有优异电化学性能的金属氧化物@多孔碳/导电高分子分级结构复合材料的新方法。通过软模板自组装、化学氧化聚合、电沉积等手段实现了三种组份之间的有效耦合，即把多孔碳材料的高循环稳定性和良好的大电流充放电性能与纳米结构的金属氧化物及导电高分子的高比容量有效地结合起来，利用三者间的协同效应，显著提高复合电极性能。并阐明了电解液离子在多孔电极中的传输规律，建立复合电极材料的储能机制。主要成果有：.1. 利用多巴胺在空气中的自聚合反应，通过高温热处理手段制备氧化锰/介孔碳复合材料。再采用化学氧化聚合法在复合物的表面自组装生长聚苯胺 (PANI) 纳米须，成功构筑了具有核壳结构的三元纳米复合材料。制备复合物展示了高的比容量，可达到498.6 F•g-1。.2. 借助于插层组装及化学氧化聚合法实现在石墨烯层间封装聚苯胺包覆的空心SnO2球，得到三维结构的SnO2@PANI/rGO纳米复合材料。制备的三元复合电极材料在100 mA g-1展现出高的可逆比容量772 mAh g-1，极好的倍率特性（1000 mA g-1时比容量达268 mAh g-1）以及优良的循环稳定性。.3. 采用恒压沉积法在RGO基体表面及层间组装MnO2纳米片，再利用原位氧化聚合法在MnO2纳米片层间嵌入聚苯胺纳米棒，最终得到自支撑的柔性三元石墨烯/二氧化锰/聚苯胺分级结构复合电极材料。该材料展现了636.5 F g-1的高比电容，优越的倍率性能（在50 A g-1时电容保留率达53.8%），同时充放电循环10000次后电容保持量高达85%。.发表受国家自然科学基金资助SCI文章12篇；申请中国发明专利4项；项目立项以来，作为第六完成人获得2014年度教育部自然科学二等奖；培养研究生8名。