项目简介 |
该项目属于电化学储能领域。 立项背景：超级电容器因其具有高的功率密度成为一种新型的电能存储装置。但其能量密度低大大限制了其大规模应用。能量密度与作为超级电容器核心部分的电极材料直接相关，因而提高电极材料的比容量等性能成为重要研究方向。碳基电极材料因其良好的导电性和稳定性在超级电容器研究和应用中扮演重要角色。调控碳基超级电容器电极密度、微观结构、电化学活性等是提升超级电容器性能的关键，储能机理的探索是超级电容器的重要研究内容。本项目针对碳基超级电容器结构调控和性能优化的关键科学问题，设计调控微观结构，深入理解碳材料及其二维复合材料的生长机制与赝电容储能机制，并拓展其在全固态超级电容器等储能器件中的应用。 主要研究内容： (1) 构建了一种氮、氟共掺制备高致密的碳基电极材料的新方法，创造出当时已报道的碳基材料最高的体积比电容，首次阐明了氮氟原子共掺提升电容的储能新机制。项目利用氮掺杂产生赝电容来提高电容量，利用氟原子最强的电负性来增强电子导电性，基于氮、氟共掺的协同效应和高致密的电极密度，从而制备出具有超高的体积比容量(521F cm-3)的碳基电极材料，是商业超级电容器基活性碳的3倍。为今后设计新型高效的高体积比容量电极提供了新思路。 (2) 原创性提出了新型离子/电子三维双连通结构碳制备新方法，为提高碳基材料本征电容提供了新思路，实现兼具高体积/质量能量密度的全固态超级电容器。项目通过金属催化剂离子预络合限域催化联合红磷辅助原位减薄(cutting-thin)策略，利用固体生物质碳源一步制备杂原子掺杂三维结构碳和石墨烯的普适性方法，解析提高碳材料本征电容和导电性新机制。为提高碳基材料电容特性提供了新思路。 (3)设计构筑三维结构碳/过渡金属化合物分子尺度杂化结构，提出界面非本征赝电容储能机制，建立非对称储能器件中电池行为和电容行为材料的匹配原则。项目建立的分子尺度杂化结构不仅可以利用活性材料的本征电化学位点，同时解决过渡金属化合物本征导电性低的问题，还有效解决了二维过渡金属化合物稳定性差这一技术难题。该工作为全面提升非对称水系超级电容器的能量密度和功率密度提出了新的思路。 科学价值及同行评价：项目通过利用非金属元素掺杂、设计新型离子/电子三维双连通结构碳、构筑二维化合物分子尺度杂化结构为高性能水系超级电容器的组装及应用提供了理论支撑和物质基础。项目执行期间在Nat. Comm.等期刊发表SCI论文46篇，其中5篇代表性论文共被他引总次数为1159次，其中Chem. Soc. Rev., Nat. Com., Sci. Adv., Adv. Mater., J.Am. Chem. Soc.等高水平期刊大段正面评价或配图引用，著名超级电容器领域专家Yury Gogotsi、成会明院士和戴黎明院士在他们合著的综述文章中给予高度评价。获美国发明专利1项和中国发明专利6项。 项目研究期间高发明获国家有突出贡献中青年专家、国家百千万人才工程称号，赵玉峰获河北省杰出青年基金、皇家化学会会士（FRSC），侯仰龙获教育部长江学者特聘教授和科技部中青年科技创新领军人才称号，熊定邦获教育部青年长江学者称号。 |
1. Junshuang Zhou, Jie Lian, Li Hou, Junchuan Zhang, Huiyang Gou, Meirong Xia, Yufeng Zhao, Timothy A Strobel, Lu Tao, Faming Gao, Ultrahigh volumetric capacitance and cyclic stability of fluorine and nitrogen co-doped carbon microspheres. Nature Communications, 2015, 6, 8503. 2. Yufeng Zhao, Shifei Huang, Meirong Xia, Sarish Rehman, Shichun Mu, Zongkui Kou, Zhi Zhang, Zhaoyang Chen, Faming Gao, Yanglong Hou, N-P-O co-doped high performance 3D graphene prepared through red phosphorous-assisted “cutting-thin” technique: A universal synthesis and multifunctional applications. Nano Energy, 2016, 28: 346-355. 3. Yufeng Zhao, Wei Ran, Jing He, Yi zhong Huang, Zhifeng Liu, Wei Liu,Yongfu Tang, Long Zhang, Dawei Gao, Faming Gao, High-Performance Asymmetric Supercapacitors Based on Multilayer MnO2/Graphene Oxide Nanoflakes and Hierarchical Porous Carbon with Enhanced Cycling Stability. Small, 2015, 11: 1310-1319. 4. Hongnan Ma, Jing He, Ding-Bang Xiong, Jinsong Wu, Qianqian Li, Vinayak Dravid, Yufeng Zhao, Nickel Cobalt Hydroxide @Reduced Graphene Oxide Hybrid Nanolayers for High Performance Asymmetric Supercapacitors with Remarkable Cycling Stability. ACS Applied Materials Interfaces, 2016, 8: 1992-2000. 5. Yufeng Zhao, Wei Ran, Jing He, Yanfang Song, Chunming Zhang, Ding-Bang Xiong, Faming Gao, Jinsong Wu, Yongyao Xia, Oxygen-Rich Hierarchical Porous Carbon Derived from Artemia Cyst Shells with Superior Electrochemical Performance. ACS Applied Materials Interfaces, 2015, 7: 1132-1139. |
