五氧化二铌基二维超薄纳米片阵列膜的制备及其电化学性能研究

Two dimensional nanosheet array structure has attracted much attention due to its wide applications in energy storage, photocatalysis and sensors. Currently, the bottle neck for the fabrication of nanosheet array structure is that most of synthesis methods are only suitable for a group of layer-structure compounds. However, compounds with non-layer structure are also widely used, such as niobium oxide, which is an excellent electrode for the application in lithium ion battery due to its unique crystal structure. This work will propose a ligand-leading strategy to grow niobium oxide ultrathin nanosheet array. Furthermore, introduction of oxygen defects and fabrication of niobium oxide/graphene hybrid will be investigated to enhance the electric conductivity. The high ordered array structure will be of benifit for the diffusion and transport of electrons and ions, and thus enhance high-rate electrochemical performance of niobium oxide. This work not only presents a new method for fabricating metal oxide with ultrathin nanosheet array structure, but also develops niobium oxide-based electrodes with high-rate electrochemical performance.

二维纳米片阵列结构在能源存储、光催化、传感器等领域的应用受到了极大关注。目前，国际上在超薄纳米片阵列制备所遇到的“瓶颈”问题是：现有的制备方法大多局限于晶体结构为层状的化合物。非层状结构的化合物在很多领域也有广泛的应用。如五氧化二铌由于其独特的晶体结构，能快速脱嵌锂，是一种极具发展潜力的动力型锂离子电池的电极材料。本项目提出配体诱导合成策略，通过调控配体与铌络合的微反应环境，利用配体结构的几何构型诱导五氧化二铌超薄纳米片阵列的生长。在此基础上，通过引入氧缺陷以及石墨烯复合的方法提高该纳米片阵列的电导率，并利用阵列结构的特性提高电子、离子的传输速率，最终获得高倍率性能的五氧化二铌电极材料。本项目的成功实施，不仅为制备金属氧化物超薄纳米片阵列结构提供新思路和新方法，同时对发展高倍率性能的金属氧化物储能器件具有指导意义。

五氧化二铌由于其独特的晶体结构，能快速脱嵌锂，是一种极具发展潜力的动力型锂离子电池的电极材料。但该材料的本征电导率低，这严重拉低其电化学性能。因此，本项目的主要目标是通过构建纳米结构、复合导电材料提高五氧化二铌的电子、离子的传输速率，研究这些微观结构、组分与电化学性能的构效关系，为开发新一代高性能的氧化物电极材料提供一定的参考。. 通过本项目的实施，我们在五氧化二铌纳米结构控制生长以及利用导电材料提高五氧化二铌电导率以及电化学性能等方面取得一系列进展，包括：（1）实现了五氧化二铌一维纳米棒结构、二维纳米片结构以及三维纳米花结构的可控生长；（2）通过导电材料石墨烯、聚吡咯的原位复合、包覆实现了五氧化二铌的电导率的提高；（3）开发出具有一维纳米棒核壳结构的五氧化二铌@碳free-standing极片，相比于传统的集流体极片，该free-standing极片显示出优越的电化学性能，如活性材料Nb2O5的担载量高达91%、面密度担载量为10mg/cm2、在锂离子电池体系中的能量密度为159Wh/kg；（4）设计了基于三维纳米花结构的五氧化二铌与活性炭的锂离子超级电容器体系，该体系的能量密度可达到54 Wh/kg，远远高于活性炭的最高比能量10 Wh/kg。此外，本项目也开展了对氧化锰电化学存储性能的研究，通过构建三维纳米结构、掺杂、包覆有效提高了氧化锰的容量，进而实现了高比能超级电容器储能器件的设计与开发。本项目执行期间，共发表论文7篇，申请专利2项，培养研究生3名。