拓扑形二维纳米超流电极的仿生构筑及其储能机制
批准号:
52072241
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
刘庆雷
依托单位:
学科分类:
无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘庆雷
中文摘要
超级电容器的发展急需“致密但超快离子传输”的多孔电极,以解决目前面临的“高容量与高倍率难同时兼顾”的瓶颈。启迪于生物体系中离子/水通道“窄却快”的奇异物质输送现象(孔径小于1纳米但每秒输送高达~1千万个离子),聚焦于其本质的“量子限域传输”效应,拟开展拓扑形二维纳米超流孔道的仿生构筑及其离子传输机制研究。通过系统性的二维材质基元制备、纳米孔道构型化复合、理论模拟计算和应用实验验证的创新性研究,构筑仿生拓扑形二维纳米超流体的技术原型,创制具有“量子限域传输”效应的宏观电极材料,揭示“人工二维材质基元+仿生拓扑形纳米孔道”离子传输的协同增益机制,并建立微观效应与宏观性能之间的关联规律,为高性能电极材料的设计、制备提供理论依据和实验验证,推动生物、化学、材料、物理等学科的发展。
英文摘要
The development of supercapacitors urgently requires porous electrodes that are dense but able to transport ions quickly. These electrodes can solve the challenge in this filed that high capacitance and high rate-performance cannot be achieved simultaneously. This project aims to develop novel rapid-ion-transport materials with topological nanochannels and reveal their mass transport mechanism. The concept of the project is inspired by the biological ion/water nanochannels which widely exist in different bio-systems. These nanochannels are narrow with pore width less than 1 nm, but can fast transport mass with rate up to ~10 million ions per second. The behind physics is called a “quantum-confined superfluid” effect. The project will conduct a comprehensive study on the fabrication of 2D material units, the architecting of these units, theoretical modeling and calculation, and experimental verification. The objective of the project is to build the reliable fabrication prototype of novel rapid-ion-transport nanoporous materials, reveal the ion-transport mechanism of these architectured materials, and explore the relationship between the nanochannel effect and application performance. The findings will provide guidelines for the development of related high-performance functional materials in future and contribute to the development of disciplines such as biology, chemistry, materials and physics science.
超级电容器在国防军工、智能电网、轨道交通等高科技领域显示出重大应用前景。然而,其核心的多孔电极材料性能不足却长期制约着该技术的广泛应用。如何突破多孔电极的离子传输性能瓶颈是领域的科学与技术难题。. 寻求新的多孔电极设计理念和储能机制是攻克该难题的关键。启迪于生物中经亿万年进化出的“窄却快”这一有悖于传统“大孔传输快”传输理论的纳米超流现象,提出“拓扑形纳米超流孔道”生物构型化的学术思路,基于材料基元序构策略,该项目发展了基于近饱和电化学剥离的二维量子片的量化制备方法与技术,创制了高纯(>93%)、超小(<10 nm)、单层的二维硫化物纳米片基元,通过精准调控二维基元尺寸和空间序构特征尺寸(孔径<1.2 nm),创制出厚度可调(1.5-24 μm)的仿生二维拓扑传输的量子片致密薄膜。其中,仿生1T-MoS2量子片薄膜作为超级电容器电极,与传统的二维大片子(>100 nm)排列的多孔架构相比,不但在垂直方向上孔道密度提高了十倍,而且在水平方向上的离子扩散长度也缩短了十倍,大幅提高了电极整体的离子输运效率和孔道表面的利用率。由于具有这种独特的“窄而短”纳米孔道传输网络,其在H+、Na+、K+等多种水系电解液中实现了超快储能:在超高扫速下(2,000 mV/s)在满足工业需求的高面电容(>0.6 F/cm2)下,将体积电容公开记录提高了一个数量级,并在理论上初步揭示了仿生水合纳米孔道基于Grotthuss机制的“限域传输”效应,为电化学储能技术向超高功率发展提供了理论依据与实验验证。. 研究成果发表于Nature Nanotechnology等期刊,受到国内外同行广泛关注。MXene材料发明人Y. Gogotsi教授和欧洲/法国院士P. Simon教授联名在Joule上发表专评文章,认为“系列结果均位列电容储能领域内最重要进展,因为这些结果为超级电容器和微型化储能器件所需的兼具高容量和高功率致密薄膜电极提供了设计准则;更重要的是,该研究利用限域电化学的学术思想打开了超越电容储能领域本身的、非常有意思的新视野。”.该项目取得的研究成果也可应用于分离、催化、合成、传感、能源等领域。
基于海藻酸“Egg-box”自组装结构的锂离子混合电容器
-
批准号:51772187
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:60.0万元
-
批准年份:2017
-
负责人:刘庆雷
-
依托单位:
分级孔多维碳/纳米金属的制备及环保特性研究
-
批准号:51001070
-
项目类别:青年科学基金项目
-
资助金额:20.0万元
-
批准年份:2010
-
负责人:刘庆雷
-
依托单位:
国内基金
海外基金