基于三维石墨烯/金属氧化物复合材料的高储能可压缩超级电容器的研究

Supercapacitors have attracted tremendous interests as energy storage devices due to their high power density, ultrafast charging/discharging rate, long cycling life, environmentally friendly behavior, safe and reliability. Unfortunately, the energy storage density of state-of-the-art supercapacitors is limited, and the compression-tolerant property is poor, which precludes their extensive industrial utilization in energy storage devices. This project aims to design the composite material of three dimensional graphene supported metal oxide nanoparticles by solvothermal method and fabricate the compression-tolerant supercapacitors with high energy storage. The bulk and monolithic three dimensional graphene material can express the exciting intrinsic properties of their two-dimensional monolayer of carbon sheet for practical applications, such as the large surface area, giant electron mobility，extraordinary elasticity and excellent mechanical strength. The high specific surface area and three dimensional pore structures of the material can achieve high loading and dispersion of metal oxide nanoparticles and then enhance the energy storage capacity of the composite materials. Furthermore, the high porosity and excellent mechanical characteristics of the three dimensional graphene will make the materials have the high-strain compressive elasticity, which will make them highly promising for use as electrode materials for fabricating compression-tolerant supercapacitors. This work will facilitate the development of next generation advanced supercapacitors with high specific energy density and tolerance to harsh conditions such as mechanical concussion and compression.

超级电容器，具有储能效率高、充放电速率快、使用寿命长、绿色环保、安全可靠等众多优点，成为倍受关注的新型储能器件。但超级电容器发展至今仍存在能量密度低、抗压性能差等问题。本课题拟采用溶剂热方法制备负载高比容量的金属氧化物纳米粒子的三维石墨烯复合材料，组装高储能的可压缩的超级电容器并研究其性能。三维石墨烯，是二维的石墨烯片层构成的宏观材料，能够将二维石墨烯片的本征性能，如高导电性、大比表面积、强机械性能等宏观的表现出来。而且，三维石墨烯的高比表面积和丰富的孔洞结构可以实现金属氧化物粒子的均匀、大量的负载，从而提高电容器的能量储存性能。更重要的是，三维石墨烯的高的孔隙率又赋予了材料很好的抗压弹性性能，是理想的可压缩的电极材料，从而可以构建可压缩的超级电容器。这种新型的高储能的可压缩超级电容器的研究，将推动储能器件的高效开发和利用。

本项目立足于能量储存和转化领域对高储能材料的需求，设计制备了系列具有高性能的三维石墨烯基复合材料，研究了材料结构和性能之间的构效关系，构建了高性能的储能器件及光催化应用体系，取得了如下研究成果：1）设计制备了多种具有特殊结构和优异性能的石墨烯基复合材料，构筑了系列高性能电化学储能器件并进行了机理探究；2）通过化学交联法制备了三维石墨烯体相复合材料，获得了优异的光电性能，发展了一种新的常压光照温和条件下直接利用氮气和氢气进行氨合成的方法和技术；3）利用二维石墨烯本征狄拉克能带结构和三维交联石墨烯体相结构，首次设计制备了基于全碳材料的非金属光解水制氢催化剂，提出了一种新的催化机理；4）对三维石墨烯材料的制备方法、结构和性能及其应用进行了系统的分析和总结，提出了基于三维石墨烯材料的新型催化剂的设计理念和应用发展方向。在本项目资助下，在J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Carbon 和Nano Res. 等高水平学术期刊上发表SCI收录论文4篇，在《功能材料》期刊上发表核心论文1篇，申请发明专利1项。联合培养博士生2名，硕士生1名，本科生6名。项目负责人于2016和2018年，分别在中国化学会学术年会“纳米碳材料”和“光催化”分会做题为“可见光引发石墨烯发射电子促进的常压下氨合成”和“基于高活性热电子的体相三维石墨烯材料及其光解水制氢性能”的口头报告，2018年在第四届能源科学与化学工程国际学术会议做题为“Design of graphene based materials and the applications in the energy storage and conversion fields”的大会特邀报告，2016年入选河北省教育厅“三三三人才工程”三层次人才。