非金属元素掺杂的FeOx@FeOx/NPC纳米阵列在超电负极材料中的微观储能机理研究

Supercapacitors have became a new generation of energy storage devices due to many advantages such as fast charging rate, high power density, good safety and stability and so on. Because of the lower potential windows, the energy density of transition metal oxides is difficult to improve, although they have superior specific capacitance. Therefore, it is urgent to develop negative electrode with high potential windows to construct asymmetrical supercapacitors. Iron based metal oxides have high theoretical specific capacitance and wide working window in negative potential, but they have several drawbacks such as poor conductivity, structural instability during charge–discharge processes and so on. Therefore, it is severely restricted the improvement of their practical electrochemical properties. In this project, we intend to construct non-metal (S-, P-, F-, etc.) doped FeOx@FeOx/NPC nanoarrays to improve the specific surface area, electron conductivity, ion diffusion rate, structural stability of electrode material, and then obtain superior electrochemical properties and cycling stability negative electrode for flexible supercapacitors. We plan to analyze the optimum doped element by the First-Principles Calculation. Incorporating with the method of synchrotron radiation XAFS, we plan to in-situ and real-time monitor the valence state and the surrounding dielectric environment changes of Fe ion. According to these results, we plan to reveal the microscopic reaction mechanism from atom and molecule level, provide the theory and experimental evidence for developing superior specific capacitance, higher energy density, good cycling stability supercapacitor devices.

超级电容器因充电速率快、功率密度高、安全稳定性好等诸多优点，已成为新一代能量存储器件。然而，比容量较高的过渡金属氧化物由于较低的电位窗口制约了其能量密度的提升，为此必须发展具有较宽电位窗口的负极材料组成非对称性超级电容器。Fe基金属氧化物具有较高的理论比容量和较宽的负向电位窗口，但其导电性差，充放电过程中结构不稳定等缺点，严重影响了电化学性能的提高。本项目拟在碳布上构建非金属元素（S-, P-, F-等）掺杂的FeOx@FeOx/NPC纳米阵列，从而提高电极材料的比表面积、电子传导率、离子扩散率和结构稳定性，获得具有优越电化学性能和循环稳定性的柔性超级电容器负极材料。通过第一性原理模拟分析最佳掺杂元素，结合同步辐射XAFS方法原位实时监测充放电过程中Fe离子价态及周围介电环境的变化，从原子分子水平上揭示微观反应机理，为发展比容量高、能量密度高、循环稳定性好的超级电容器提供理论和实验依据。

三维结构多级异质纳米阵列在调制电子传导和离子扩散能力方面具有重要的应用前景，加上较高的比表面积、丰富的活性位点和结构稳定性，加快了电化学能量存储过程中反应速率，提高了比容量，能量密度和循环稳定性。本项目以调控电化学反应过程中电子传导和离子扩散能力为研究目标，采用水热法、电沉积法、电子束气相沉积法、离子交换法等多种不同的方法合成了系列异质结构纳米阵列。结合表界面的精准调控，有效提升了电化学能量存储性能。利用原位XRD和拉曼光谱等手段对多级纳米阵列在充放电过程中的电子结构和中心原子的介电环境变化进行在线测量和监控，结合第一性原理理论模拟电化学反应过程中纳米阵列表面吸附能的变化和电子迁移路径。结果表明多级异质结构纳米阵列加快了电子传导和离子扩散能力，促进了电化学反应动力学过程。以此为基础，发展了系列具有高比容量、高能量密度、高稳定性的多级异质结构纳米阵列的合成方法，在电化学能量存储、电催化、电磁波吸收与屏蔽方面具有重要的应用前景。项目执行期间取得了阶段性的研究进展：截止目前，在Advanced Functional Materials, Small, Chemical Engineering Journal, Nano Research, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces等国际核心期刊发表相关论文34篇，其中SCI收录论文31篇，影响因子高于5的论文27篇，JCR一区论文17篇，JCR二区论文12篇；授权发明专利5项，其中3项已实现技术转让。依托项目研究成果项目主持人获得安徽省高校杰出青年基金项目，安徽省高校协同创新项目等资助。培养在站博士后1名，博士研究生5名，硕士研究生14名，其中2名博士研究生，6名硕士研究生已顺利完成学位论文。依托项目研究成果辅助教育教学方面也取得了显著的成绩，项目主持人获安徽省教学成果一等奖两项、三等奖一项，获安徽省教坛新秀等荣誉称号。