小孔径三维纳米管道状石墨烯的可调控制备及其电化学应用研究

批准号:
51702031
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
邱华军
依托单位:
学科分类:
E0208.无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
杜鹏、方刚、崔雪薇、周自然
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中文摘要
三维多孔石墨烯材料已被证明在电化学能源方面具有重要的应用前景。到目前为止,由于受到多孔模板的影响,用化学气相沉积法(CVD)制备的三维多孔石墨烯一般都具有较大孔径和小的体积比表面积且孔径大小一般很难调控。针对此问题,申请人计划通过三元单相前体合金去合金化的方法制备一种扩散速率慢的外来金属掺杂的自支撑纳米多孔镍模板。相比纳米多孔纯镍,该模板具有提高的高温稳定性,因此在CVD生长石墨烯的过程中,该模板能够更好保持其纳米级小孔径结构,从而制备出更小孔径的管道状三维石墨烯。通过精确调控掺杂金属的种类/含量、CVD条件以及腐蚀移去镍基模板的条件等来调控纳米管道状石墨烯的孔径大小和金属纳米粒子(甚至单原子)的修饰并研究其孔径曲率变化、缺陷位点以及金属掺杂等对电化学性能的影响。本课题的实施有望制备出一系列孔径可调的柔性管道状石墨烯及其复合材料并提高其在电化学应用方面的性能,为将来设计三维石墨烯提供参考。
英文摘要
Monolithic three-dimensional porous graphene has been demonstrated to have great potentials in electrochemical energy-related areas. So far, due to the big pore Ni foam template, the porous graphene prepared by chemical vapor deposition (CVD) method usually exhibits a big pore size, small volumetric surface area and the pore size is difficult to be tuned. To solve this problem, the applicant plans to synthesize a kind of nanoporous nickel-based template doping with low-diffusion-rate metals by dealloying carefully designed single-phase ternary alloys. Compared with pure nanoporous Ni, the prepared Ni-based template possesses enhanced thermal stability. Thus, during the CVD process, the template can maintain its nanoscale porous structure, resulting in nanotubular graphene with smaller pores. By precisely controlling the content/kind of the low-diffusion-rate metals in the nanoporous template, the CVD growth conditions, and the corrosion of the template after the growth of graphene, we expect to prepare a series of small-pore nanotubular grpahene, and graphene decorated with metal nanoparticles, or even single metal atoms. By carrying out this study, it is also expected to figure out how the curvature of the pores, defect sites, and metal doping would affect the electrochemical performance. It would also be helpful for designing high-performance three-dimensional graphene materials in future.
具有尺寸可调的三维纳米多孔石墨烯材料在电化学能源存储和转换方面具有重要的应用前景,通常用泡沫镍作为模板制备的石墨烯泡沫孔径为几十微米以上,这样会极大降低其单位体积的比表面积。 我们通过前体合金的设计结合去合金化的方法制备了一系列纳米级小孔径的三维纳米多孔金属或金属氧化物,以不同纳米多孔金属或者金属氧化物作为模板,结合化学气相(或者液相)沉积的方式制备了孔径可调的三维纳米多孔石墨烯,其最小孔径可达50纳米以内。通过制备条件的调控,进一步制备了单原子Ni上载量高的大片柔性纳米多孔石墨烯,突破了石墨烯易团聚、催化活性低的缺点,其对氧气的催化性能与目前市场上的贵金属催化剂相当,以此作为空气电极研制出具有高能量密度和循环稳定性的柔性Zn-空气电池。该研究工作对三维多孔石墨烯材料在高能量密度电化学能量存储和转化方面具有重要的意义。
期刊论文列表
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Hierarchical Nanoporous V2O3 Nanosheets Anchored with Alloy Nanoparticles for Efficient Electrocatalysis
锚定合金纳米颗粒的分层纳米多孔 V2O3 纳米片可实现高效电催化
DOI:10.1021/acsami.9b13305
发表时间:2019
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces
影响因子:9.5
作者:Xu Haitao;Liu Li;Gao Jiaojiao;Du Peng;Fang Gang;Qiu Hua-Jun
通讯作者:Qiu Hua-Jun
Nanoporous Al-Ni-Co-Ir-Mo High-Entropy Alloy for Record-High Water Splitting Activity in Acidic Environments
纳米多孔 Al-Ni-Co-Ir-Mo 高熵合金在酸性环境中具有创纪录的高水分解活性
DOI:10.1002/smll.201904180
发表时间:2019-10-09
期刊:SMALL
影响因子:13.3
作者:Jin, Zeyu;Lv, Juan;Qiu, Hua-Jun
通讯作者:Qiu, Hua-Jun
Nanoporous high-entropy alloys for highly stable and efficient catalysts
用于高度稳定和高效催化的纳米孔高熵合金
DOI:10.1039/c9ta00505f
发表时间:2019-03-21
期刊:JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A
影响因子:11.9
作者:Qiu, Hua-Jun;Fang, Gang;Sun, Shuhui
通讯作者:Sun, Shuhui
Noble Metal-Free Nanoporous High-Entropy Alloys as Highly Efficient Electrocatalysts for Oxygen Evolution Reaction
无贵金属纳米孔高熵合金作为析氧反应的高效电催化剂
DOI:10.1021/acsmaterialslett.9b00414
发表时间:2019-11-01
期刊:ACS MATERIALS LETTERS
影响因子:11.4
作者:Qiu, Hua-Jun;Fang, Gang;Sun, Shuhui
通讯作者:Sun, Shuhui
A general and scalable approach to produce nanoporous alloy nanowires with rugged ligaments for enhanced electrocatalysis
一种通用且可扩展的方法来生产具有坚固韧带的纳米多孔合金纳米线,以增强电催化作用
DOI:10.1039/c8ta03544j
发表时间:2018-07-14
期刊:JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A
影响因子:11.9
作者:Qiu, H. -J.;Gao, J. J.;Liu, X. J.
通讯作者:Liu, X. J.
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