超快激光微纳加工复合热氧化制备自支撑金属氧化物纳米线多尺度图案化结构与功能化研究

Metallic-oxide-nanowires contribute to the highly efficient acquisition, conversion and storage of energy in the new energy device due to their excellent semiconductor properties, catalytic activity and chemical stability. The "self-supporting" three dimensional structures of the nanowires can significantly increase the specific surface area, improve the utilization rate of the active materials, accelerate the electron/ion transportation and increase the electrolyte diffusion and charge transfer. However, their fabrication faces great challenge. Aiming to meet the development needs of new energy device，this project focuses on a novel hybrid fabrication approach of self-supporting multi-scale and pattenable metallic-oxide-nanowires. An ultrafast laser is applied to fabricate unique micro-nano structures on the metal surfaces via “Top down” strategy, by which a chemical thermal oxidation “Bottom up” approach is integrated to form oxide-nanowires in metal surfaces with any macro-scale thickness, this shows an important breakthrough. The oxide-nanowires grow on top of the micro-nano structures based on macro-scale metal substrates, thus forming a self-supporting "macro-micro-nano-nanowire" multi-scale interconnected oxide-nanowire system. The nanowires with arbitrary patterns can be fabricated in this way by means of the programmable scanning capability associated with an ultrafast laser. The functionalization of this self-supporting multi-scale and pattenable metallic-oxide-nanowires will be performed to explore their potential applications in new energy device such as solar cell, lithium ion battery and super capacitor. The mechanism and the scientific issues of this hybrid method will be systematically investigation in order to realize the innovation on the principle, fabrication and applications of this novel self-supporting multi-dimensional oxide-nanowire. This project shows important scientific, technological and application value.

金属氧化物纳米线优异的半导体特性、催化活性和化学稳定性，有助于新能源器件中能量的高效捕获、转化和存储，纳米线的“自支撑”三维体系能显著增大比表面积、提高活性材料利用率、加速电/离子输运、电解质扩散和电荷转移，但其制备面临挑战。本项目面向新能源器件的发展需求，研究“自支撑”金属氧化物纳米线多尺度图案化结构的复合制备新方法，利用超快激光以“自上而下”方式在宏观金属基材表面制备微纳米结构，结合“自下而上”热氧化化学生长方式，在微纳米结构之上生长氧化物纳米线，突破纳米线快速生长的基材厚度制约，形成自支撑“宏-微-纳-纳米线”多尺度互联结构体系，并能生长任意图案化纳米线；对自支撑多尺度图案化纳米线进行功能化研究，探索在太阳能电池、锂离子电池、超级电容器等新能源器件中的应用。对该复合方法的机理和科学问题展开系统研究，以实现自支撑多尺度纳米线制备的原理与方法创新及应用创新。本项目具有重要的意义和价值。

金属氧化物纳米线具备优异的半导体特性、催化活性和化学稳定性，项目面向新能源器件的发展需求，研究“自支撑”金属氧化物纳米线多尺度图案化结构的复合制备新方法、功能化及新应用。.项目有机结合“自上而下”飞秒激光制备表面微纳结构方法与“自下而上”热氧化法，提出并深入研究了自支撑金属氧化物纳米线多维多尺度图案化激光复合制备新思路，实现任意图案、任意空间维度、任意拓扑取向的“宏-微-纳-纳米线”多层级多尺度结构的可控制备，制备出铜、钛、钨等多种氧化物体系，弄清了“宏-微-纳-纳米线”的生长机理和调控规律。.项目还提出了超快激光脉冲注入调控金属表面微米-纳米双尺度复合结构的新方法和超快激光加工与液相沉积法相结合的复合方法，大大拓展了微纳双结构在超疏水、超疏油、高抗反及高灵敏性等领域的应用潜力。.项目对多维多尺度氧化物纳米线进行了多方面功能化，挖掘出一系列新功能和新应用，具有很好的应用潜力和价值：利用飞秒激光复合制备自支撑钨氧化物纳米线、纳米结构铜氧化物、多尺度二硫化钨纳米片等，实现优异的水分解制氢制氧性能。项目制备了绒毛状纳米氧化铜、TiO2/WO3-W微纳一体化结构、MoO3纳米结构等，实现优异的储锂性能。.项目组在ACS Nano、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A等国际知名刊物发表SCI论文22篇，影响因子5以上的论文11篇，被引用219次，篇均9.95；项目组授权国家发明专利1项，申请国家发明专利5项，国际PCT2项；项目负责人参加国际会议22次，作国际会议大会报告11次，国际会议邀请报告10次，担任国际会议大会共主席8次，担任美国激光学会主席（2019年）和国际光电子与激光工程学会主席（2016.1-2017.8），担任《中国激光》执行主编（2019年）。项目组培养博士后1人、博士研究生2人、硕士研究生3人，其中1人获国际会议最佳论文奖。.项目成果在高效能量存储与转换、水分解、锂离子电池、太阳能高效利用、黑体、超疏水自清洁等诸多领域有广泛应用前景。项目组全面完成并超额完成项目预定目标。