仿生多孔石墨烯基杂化电极材料的超分子自组装制备及其电容性能研究

Most biological materials have the fudamental feature of hierarchy,multifuctionality and self-organization, which have risen from hundreds of million years of evolution. These complex composites are inspiring us in the design of novel mateials.In this project,Graphene oxide and its nanocomposite has been used as a unique two dimension buiding block for graphene oxide-based hybird materials,which were self-assembled to form continuous theree-dimesional interconnected network by supramolecular interactional, including hydrogen bonding, π-stacking, electrostatic interaction and coordination. Hierarchical porous graphene-based hybird materials were obtained via chemical activation and etching of graphene-based hybird materials.The chemical activation can be used to generated nanoscale pores in the produce carbon.As obtained hierarchical graphene-based hybird materials can be used as supercapacitor electrodes to favor fast ion and electron transportation.The investagation will be emphasised on the relationship between their structure and electricapacior properties. Tuning the porosity and studying the effect of the pore size on capacitance could potentially improve performance. The development of this project will offer a new idea and mothod to the solution of ionic transport in prous media.

生物材料在进化过程中形成了分级结构、多功能一体化和自组装等独特的特征，在结构和功能材料的设计中有重要的借鉴意义。本项目以化学氧化还原法制备石墨烯(或氧化石墨烯)/氧化物（或金属有机骨架材料）复合材料为组装单元,通过在溶液中形成氢键、静电引力、π-π相互作用力和配位键等超分子作用力自组装形成三维凝胶网络结构的柔性石墨烯电极材料，最后通过活化和刻蚀工艺在石墨烯片层中引入纳米孔道，得到分级孔结构的石墨烯基杂化电极材料。将该电极材料组装成电化学电容器,系统研究工艺-碳表面状态-孔结构-电容性能关系,尤其是孔结构控制机理、三维石墨烯导电网络的形成机制和电解液离子在多级孔道中的传输扩散机制。获得的分级孔结构电极材料有望解决内部孔道离子传输的电极动力学问题，为开发一种多级孔结构的电化学电容器用石墨烯基杂化电极材料、优化材料的孔径分布和提高不同孔道之间的协同作用提供新的思路和方法。

本课题借鉴了生物材料分级结构、结构功能一体化和自组装的特性，通过共价键、静电引力和配位键等强、弱相互作用力来实现石墨烯基杂化电极材料的自组装制备，为高性能超级电容器电极材料的制备提供了新方法，系统研究工艺-电极表面状态-孔结构-电容性能关系。主要研究内容：（1）通过配位自组装制备了一系列Fe，Co，Ni基金属有机框架（MOFs）结构和石墨烯的复合杂化电极，形成表面分布电活性位点的三维导电石墨烯网络结构。探索金属离子，配体结构，掺杂配比等对MOFs/石墨烯电极材料电容性能的关系,研究了孔结构控制机理、三维导电网络的形成机制和电解液离子在多级孔道中的传输扩散机制。MOFs材料具有电活性金属位点，易于发生可逆氧化还原反应，是一种有潜在研究价值的赝电容材料。石墨烯的掺杂能增加复合材料的导电性，提高其在电解质溶液中的稳定性，同时兼顾高比电容和优异的循环稳定性能，进一步将MOFs前驱体多孔碳电极作为脱盐电池实现了电容去离子化应用。（2）通过一步法将石墨烯Fe3O4,Fe2O3,NaTiO3复合杂化，不仅增加了氧化物电极材料的导电性，而且克服了氧化物电极循环稳定性不佳的问题，将其应用在超电电极和电容脱盐中，实现了较高的比电容（脱盐率）和循环稳定性（再生循环能力）。通过杂化电极/碳不对称组装实现了混合全电容器的设计，拓展了电化学窗口，提高了超级电容器的能量密度。（3）研究了硫酸可控还原和电化学可控还原过程对对石墨烯表面含氧官能团的控制还原。系统研究了电泳沉积参数和电容性能的关系。共发表标注基金项目号（21361020）的研究论文18篇（其中SCI收录论文12篇，SCI一区论文2篇，二区论文3篇），获批授权专利2项。参加国际学术会议4次，国内学术会议6次。获得第十五届国际生态环境材料工艺与设计会议（ISEPD）最佳墙报奖，获宁夏自然科学优秀学术论文二等奖一次，三等奖一次，培养毕业硕士研究生9名。