金属氢化物还原二氧化碳合成储能碳纳米材料的微结构调控及反应机理

Nanocarbon material is regarded as one of the most promising energy storage materials because of its unique morphologies and microstructures. However, the synthesis of nanocarbon materials suffers from difficulty in controlling the morphology and microstructure, high production cost and difficulty in the large scale production. A good solution to these problems is to develop new preparation technology. We propose a new strategy to synthesize nanocarbon materials via the reduction reaction of CO2 with metal hydrides. The effects of the metal hydrides, the state of CO2, the metal-hydride/CO2 molar ratio, the ways to give triggering energy on the morphologies, microstructures and electrochemical performances of nanocarbon materials will be systematically investigated in this project. We will focus on the investigation of the important fundamental problems including the controllable synthesis, tailoring mechanism of morphologies and microstructures, electrochemical energy storage mechanism, and the reaction mechanism of metal hydrides with CO2. It is expect to synthesize the nanocarbon materials with the good electrochemical performances. The successful implementation of this project will be to provide a new method to controllably synthesize nanocarbon materials and a new route to turn the waste CO2 into a benefit. This study will be also to provide the theoretical foundation and experimental evidence for further designing and developing high-capacity anode materials of lithium-ion batteries.

碳纳米材料因独特的形貌和结构，被认为是一种应用潜力巨大的新型储能材料。但碳纳米材料的合成方法仍存在形貌和结构调控困难、成本偏高、批量生产不易等问题。针对上述问题，我们提出了利用金属氢化物还原温室气体CO2高效合成碳纳米材料的新解决思路。本项目系统探索金属氢化物的成分及结构、CO2的物态、金属氢化物-CO2的摩尔比、触发能量的施加方式等因素对碳纳米材料的形貌、结构和电化学性能的影响规律，重点围绕碳纳米材料的可控合成、形貌与结构的调控机制、电化学储能机理、金属氢化物与CO2的反应机理等基础科学问题展开研究，研制出一类综合电化学性能优良的碳基储锂材料。本项目的研究，为碳纳米材料的可控合成提供了一种新方法，为CO2“变废为宝”提供了一种新途径，也可为进一步设计和开发高比容量储锂材料提供理论基础和实验依据。

能源危机、温室效应和环境污染是人类当前面临的三大严峻挑战。发展先进的能源转换与储存、环境修复、碳捕捉与利用技术是解决三大全球性挑战的关键。碳纳米材料因其可调变的形貌和微结构，使得各种碳材料具有一些独特的物理化学性能，已在能源转换与储存、环境修复、碳捕捉与利用等领域发挥日益重要的作用。但是，碳纳米材料的传统合成方法仍存在形貌和结构调控困难、合成过程产生大量温室气体和有毒有害气体、批量生产不易等问题。针对上述问题，本项目通过研究金属氢化物与CO2及相关产物的相互作用，发现并阐明了9个关于碳材料绿色节能合成的新型化学反应。在此基础上，以CO2为碳源，发展出了多种绿色节能合成纳米碳材料的新方法。我们系统研究了金属氢化物的成分、CO2的物态、金属氢化物−CO2的摩尔比、触发能量的施加方式、原材料的颗粒尺寸、CO2的压强等因素对碳纳米材料的形貌、结构的影响规律，阐明影响碳纳米材料的形貌和结构的关键因素：触发能量的施加方式、金属氢化物的成分与颗粒尺寸、CO2压强等。基于合成碳材料的新型化学反应、气流效应的速率及其分布，揭示了碳纳米材料的绿色节能合成机理、形貌和结构的调控机制。研究了多种具有不同形貌、结构和掺杂元素碳纳米材料的充放电可逆性、可逆电化学容量和循环稳定性等电化学性能，阐明了碳纳米材料的形貌及结构、掺杂元素与电化学储锂性能的相关关系，揭示了不同形貌、结构和掺杂元素碳纳米材料的储锂机理。在本项目的资助下，我们还研究了碳材料在锂硫电池、硅基负极材料、固态电池、其余储锂/钠负极材料等应用的基础研究，获得了一些有意义的研究结果。本项目的研究，为碳纳米材料的绿色、节能可控合成提供了一类新方法，为温室气体CO2“变废为宝”提供了一种新途径。相关研究成果对进一步研究和开发高性能储锂材料具有重要的参考作用。