CNx诱导微电场和肖特基界面在柔性电容器中的协同作用机理研究

Flexible supercapacitors have attracted considerable attentions due to their exciting advantages, but, they are still limited by low energy density and slow dynamic process because of the low specific capacitance of carbon materials and the low electrical conductivity of pseudo-capacitive materials such as transition metal oxides (MO). Novel two-dimensional frameworks C2N and C3N have high electrical conductivity, good mechanical flexibility and hydrophilicity. The induced micro-electric field formed in C2N and C3N frameworks can accelerate the dynamic process of charge transfer and the interfaces with Schottky contact between C2N or C3N and MO can accelerate the kinetic process of electrochemical reactions. In addition, the dispersion of MO can be improved by the composite of MO/C derived from metal-organic frameworks (MOFs), which can further reduce the resistance of charge transfer. Therefore, this project plans to construct porous CNx/MO/C composites with a highly conductive network structure by decomposing MOFs and annealing samples in inert gas and air atmosphere separately. This project aims to clarify the formation process of the interface interactions between the heterostructures, the mechanism how the heteroatom interfaces mediate the induced micro-electric field in CNx frameworks and the interfaces between CNx and MO influence on Schottky barrier. Moreover, this project aims to further reveal the synergistic effect mechanism of the structures of the composites, induced micro-electric field and the Schottky contact interfaces act on the electrochemical reaction process of flexible supercapacitors by investigating the electrochemical behavior of flexible supercapacitors. All of these works will provide important theoretical and practical guidance for the development of flexible supercapacitors with excellent electrochemical properties.

柔性电容器因其独特的优势备受关注，目前，碳材料比电容低导致的能量密度低和赝电容材料如过渡金属氧化物（MO）导电性差导致的动力学过程缓慢是其主要技术难题。新型二维C2N和C3N具有好的导电性、机械柔性和亲水性，其内部诱导微电场可以加快电荷传递、与MO间的肖特基界面可以加快电极反应的动力学过程，此外，金属有机骨架（MOFs）衍生MO/C利于MO的分散，降低电荷转移电阻。因此，本项目拟将二维C2N和C3N与MOFs复合，通过在惰性气氛中热解MOFs和在空气中焙烧样品原位构筑具有高导电网络的多孔CNx/MO/C复合材料，阐明异质结构间界面相互作用的形成机理、CNx异质原子界面对诱导微电场以及CNx/MO界面对肖特基势垒的调控机制；通过对器件电化学行为的研究，揭示复合材料的结构、诱导微电场、肖特基界面对电极反应历程的协同作用机理，为高性能柔性电容器的开发提供重要的理论和实践指导。

随着能源危机和环境问题的日益突出，发展高效利用清洁能源的能量转换与储存新技术具有重大的现实意义。作为清洁能源存储器件，超级电容器得到了广泛应用，为了得到性能优异的储能器件，研究者们不断致力于电极材料的改性和开发新的高性能材料体系。目前，碳材料比电容低导致的能量密度低和赝电容材料如过渡金属氧化物（MO）导电性差导致的动力学过程缓慢是其主要技术难题。基于这一难题，主要进行了以下研究：. （1）通过盐封技术在空气气氛中热解ZIF-8制备了开口空心结构的氮掺杂碳材料，该结构具有1589.23 m2 g-1的比表面积，作为电极材料，组装的对称电容器在1 A g-1时展示了315 F g-1的比电容，以及在5 A g-1下循环2 0000圈仍具有98.9%的初始电容保持率的优异的循环稳定性。. （2）通过盐封技术以废弃鸡蛋清为前驱体在空气气氛中制备了具有介孔结构的二维氮掺杂碳材料，该结构作为电极材料组装的对称超级电容器在1 A g-1时展示了248 F g-1的优异电容性能，以及在2.5 A g-1下循环15 000圈仍具有98.7%的初始电容保持率的优异的循环稳定性。. （3）通过盐封技术在空气气氛中热解EDTA-4钠和EDTA-2钠锌，制备了CNx/C复合材料，探讨了复合材料间的内建电场对材料电化学性能的改善机理。. （4）以聚乙二醇为分散剂，硝酸镁尿素沉淀法制备的超细氧化镁为模板剂，分别以尿素、葡萄糖、柠檬酸和明胶为前驱体，通过一步原位法制备了CNx/C的复合材料，进一步在不同电解液体系下研究了复合材料间的内建电场对材料电化学性能的改善机理。. （5）以聚乙二醇为分散剂，尿素、葡萄糖、柠檬酸和明胶为前驱体，通过硝酸镍、硝酸钴尿素沉淀法制备氧化镍和氧化钴，然后通过一步原位法制备了CNx/C/MO复合材料，进一步在不同电解液体系下研究了复合材料间的内建电场和肖特基界面对材料电化学性能的改善机理。. 该项目制备的材料具有优异的电化学性能，在新能源储能领域具有广泛的应用价值，同时该项目采取的盐封技术路线能节约大量的惰性气体，进一步降低材料制备的生产成本，为开发材料制备的新工艺路线提供了有力的技术支持。