多孔二维金属氧化物纳米片的合成、改性及其储能特性的研究

Ion diffusion properties and electron transfer rate of metal oxides MxOy (MnO2, MoO3, V2O5 and WO3 and Nb2O5) could determine the values of their output capacitances. Based on this, series of MxOy porous two dimensional (2-D) nanosheets will prepare to reveal the scientific issues which are related to enhance the specific capacitance of MxOy under high mass loading. The main contents include that: Firstly, porous nanosheets will synthesized by salt template method, finding out their nano crystal structure, thickness and micro structure how to influence the electrochemical performance; Secondly, using chemical reduction method to reduce MxOy and create oxygen vacancies, studying the changes of their crystal structure, bandgap and electric conductivity and activity follow the reduction process. The first principle would be employed to simulate the modification mechanism. Then through vacuum filtration to prepare free-standing hybrid film of entangling MxOy with carbon nanotubes (CNTs) . We will systemically investigate the surface structure, valence state and phase change of MxOy follow the charge and discharge process, and reveal the mechanism of their electrochemical energy storage. The asymmetric devices would be assembled by the high electrochemical performance and stable Positive and negative eeltrodes. This subject will have an important scientific significance and great prospect for developing high performance supercapacitors electrode materials.

金属氧化物MxOy（MnO2、MoO3、V2O5、WO3和Nb2O5）的离子扩散性能和电子传输速率决定了它们的电容输出的大小。基于此，本项目拟构筑多孔二维纳米片用于研究提升金属氧化物在高载量下比电容的科学问题。主要包括：1）通过盐模板法制备多孔二维纳米片，研究纳米片的晶体结构、厚度及微结构对其电化学性能的影响规律；2）利用化学还原法对MxOy进行还原处理制造氧空位，研究还原过程对其晶体结构、能带结构和电导特性的影响，并结合第一性原理计算其改性机制；3）利用抽滤的方法制备MxOy/CNT “自支撑”电极，系统研究MxOy在充放电过程中表面结构、价态和物相变化，揭示其电化学存储的机理。筛选高性能、稳定的正负极材料组建非对称器件。本研究将对高性能超级电容器电极材料的研究具有很好的推动作用，具有重要的科学意义和很好的应用前景。

超级电容器因其高功率密度、长循环寿命、可快速充放电、使用温度范围宽、对环境友好和安全性高等优点，在新能源发电系统、分布式储能系统、智能电子产品、新能源汽车和军事航天设备等方面具有广泛的应用。随着对超级电容器研究的深入，研究者们已认识到超级电容器的核心问题是如何在保持高功率密度条件下提高其能量密度，而解决这一问题的关键在于寻找和开发具有高比电容量的储能电极材料。法拉第赝电容材料通过在表面快速的氧化还原反应可以提供比碳材料更高的比电容在需要大峰值功率及高能量密度的应用场合有更好的应用前景。但受限于离子扩散和电子传导速率，其电容输出与它们的理论电容还有一定的差距。鉴于此，我们通过对金属氧化物进行还原处理构建大量缺陷来优化其电导率。利用氢碘酸还原的三氧化钼纳米带的电导率达到了2x105 S/m，其组装的三维网络薄膜的体积容量达到了600 F/cm3，并具有良好的稳定性。此外，通过制备超薄二维材料提高离子在电极材料的扩散速率。利用盐模板法制备了超薄二维导电聚合物，并显示了优异的电化学性能。PPy纳米片组装的自支撑导电膜的体积容量达到了320F/cm3，并具有良好的倍率性能。通过对电极材料的结构和形貌调控，提升了它们的电化学性能，组装的器件能量输出也得到了大幅提升。这些课题将对高性能超级电容器电极材料的研究具有很好的推动作用，具有重要的科学意义和很好的应用前景。