纳米孔材料的制备及其在储能器件方面的应用

本项目拟以高性能储能材料为导向，制备非硅氧骨架的纳米孔固体化合物尤其是过渡金属氧化物及其锂盐。开发新的制备路线如软模板法和硬模板法制备途径，优化制备和后处理条件，控制多孔骨架材料的晶相，提高其结晶度以及热稳定性。研究所制备材料的电极活性并将之应用于锂离子电池电极的制作，考察相应的充放电容量和充放电特性；研究材料的孔道结构、孔径大小、晶相和结晶度等对锂离子电池性能的影响，筛选出性能优异的电池电极材料，为进一步开发大容量和可快速充放电锂离子电池奠定基础。

本项目以高性能储能材料为导向，采用软模板法和硬模板法等制备方法，制备出了非硅氧骨架的纳米孔无机功能材料。通过优化制备和后处理条件，对多孔骨架的晶相进行了控制，有效提高了骨架结晶度以及热稳定性。考察了所制备多孔材料的充放电容量和充放电特性等电化学性能，研究了材料的孔道结构、孔径大小、晶相和结晶度等对锂离子电池性能的影响。以介孔碳为硬模板，合成出一种碳包覆的五氧化二钒纳米晶，这种纳米晶表现出了优异的倍率特性和循环稳定性；通过控制实验温度，还制备出了具有有序介孔结构的五氧化二钒材料。以L-半胱氨酸为结构导向剂，利用水热法可控制备出了具有三维多级结构的二硫化锡，这种多级结构的二硫化锡材料表现出非常优异的电化学性能。采用硬模板法、间隙造孔和酸碱活化等策略制备出了具有离子和电解液通道的碳负极材料，如具有纳米石墨烯结构的碳纳米笼、具有高长宽比的碳纳米柱膜和多级孔结构的碳微球。石墨烯具有导电性好、化学和电化学稳定性高的特点，将石墨烯与四氧化三钴、氧化镍和四氧化三铁等金属氧化物复合，制备出了具有优异电化学性能的复合电极材料。以光诱导手段制备了由锐钛矿纳米晶构成的多级结构二氧化钛材料，这些材料表现出优良的电化学性能；利用相同的方法，还制备出了碳掺杂的多孔二氧化钛，其具有较高可见光催化活性。在本项目的资助下，我们还对具有多孔结构的铀酰-有机配位聚合物开展研究，并应邀为Acc. Chem. Res.撰写综述性文章。通过本项目的实施，我们对纳米孔材料的制备及其在储能器件方面的应用开展了卓有成效的研究，获得了一系列具有潜在应用前景的储能材料，为进一步开发大容量和可快速充放电锂离子电池提供理论和实验指导。. 在本项目的实施过程中共发表SCI收录论文16篇，申请专利5项（已授权2项），培养博士生3名（在读）和硕士生5名（毕业2名）。