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基本信息

項(xiàng)目名稱：
鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線設(shè)計構(gòu)筑與超級電容器性能研究
小類：
能源化工
簡介：
本作品以鉬酸錳納米線為主干材料，通過冷凝回流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)納米棒對納米線的表面修飾，率先設(shè)計構(gòu)筑了鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線。作為超級電容器電極活性材料，比電容在電流密度為1A/g時可達(dá)187.1 F/g，相比同類0維和1維納米材料，提高了1-2個數(shù)量級，經(jīng)1000次循環(huán)比容量保持率高達(dá)98%。同時，提出了 “自組裝-取向搭接”生長機(jī)理，為研究構(gòu)筑其他功能晶體復(fù)雜結(jié)構(gòu)做出了積極的理論探索。
詳細(xì)介紹：
在納米尺度上采用合理的異質(zhì)材料對主干納米棒進(jìn)行表面修飾從而得到更優(yōu)異的性能，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與前沿之一。本作品以鉬酸錳納米線為主干材料，通過冷凝回流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)納米棒對納米線的表面修飾，率先設(shè)計構(gòu)筑了鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線。作為電化學(xué)超級電容器電極活性材料，比電容在電流密度為1A/g時可達(dá)187.1 F/g，相比同類0維和1維納米材料，提高了1-2個數(shù)量級，經(jīng)過1000次循環(huán)后比容量保持率高達(dá)98%。這主要?dú)w因于比表面積的增大（從構(gòu)筑前的3.17 m2/g到構(gòu)筑后54.06 m2/g）、有效地解決納米線的團(tuán)聚問題、為法拉第反應(yīng)與離子傳輸提供了更多的活性位點(diǎn)。結(jié)果表明，通過構(gòu)筑分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可有效提高電化學(xué)性能。同時，針對不同條件下此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑過程，提出了基于“自組裝-取向搭接”機(jī)制的生長機(jī)理，為研究其他功能晶體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑做出了積極的理論探索。

作品圖片

  • 鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線設(shè)計構(gòu)筑與超級電容器性能研究
  • 鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線設(shè)計構(gòu)筑與超級電容器性能研究
  • 鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線設(shè)計構(gòu)筑與超級電容器性能研究
  • 鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線設(shè)計構(gòu)筑與超級電容器性能研究
  • 鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線設(shè)計構(gòu)筑與超級電容器性能研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

超級電容器作為重要的新型儲能器件，對于緩解能源危機(jī)和解決環(huán)境污染問題具有重要意義。如何提高超級電容器比容量和循環(huán)性能、增大電極材料比表面積、解決團(tuán)聚問題是當(dāng)今研究熱點(diǎn)。 本作品以鉬酸錳納米線為主干材料，通過冷凝回流技術(shù)，設(shè)計構(gòu)筑鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線。基于構(gòu)筑過程，提出 “自組裝-取向搭接”的生長機(jī)理。研究其電化學(xué)性能，為研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)超級電容器性能做出了積極的理論探索。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

1.率先設(shè)計構(gòu)筑了鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)納米棒對主干納米線的表面修飾。 2.顯著提高了超級電容器性能，相比同類0維和1維納米材料，比容量提高了1-2個數(shù)量級。 3.采用簡單冷凝回流技術(shù)，常溫常壓下即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物可控合成與設(shè)計構(gòu)筑。 4.提出了“自組裝-取向搭接”生長機(jī)理，為研究構(gòu)筑其他功能晶體復(fù)雜結(jié)構(gòu)做出積極的理論探索；對分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)提高超級電容器電化學(xué)性能給予合理的理論解釋。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義

通過簡單的冷凝回流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)納米棒對主干納米線的表面修飾，為今后構(gòu)筑分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)提供了簡便有效的方法。 提出“自組裝-取向搭接”的生長機(jī)理，為研究構(gòu)筑其他功能晶體復(fù)雜結(jié)構(gòu)做出了積極的理論探索。 以鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線為電極活性材料的超級電容器，實(shí)現(xiàn)了高電流密度下工作,獲得了較高的比容量和良好的循環(huán)性能，為超級電容器的工業(yè)應(yīng)用提供了可能。

學(xué)術(shù)論文摘要

論文摘要： 在納米尺度上采用合理的異質(zhì)材料對主干納米棒進(jìn)行表面修飾從而得到更優(yōu)異的性能，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與前沿之一。本文以鉬酸錳納米線為主干材料，通過冷凝回流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)納米棒對納米線的表面的修飾，率先設(shè)計構(gòu)筑了鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線。作為電化學(xué)超級電容器電極活性材料，比電容在電流密度為1A/g時可達(dá)187.1 F/g，相比同類0維和1維納米材料，提高了1-2個數(shù)量級，經(jīng)過1000次循環(huán)后比容量保持率高達(dá)98%。這主要?dú)w因于比表面積的增大（從構(gòu)筑前的3.17 m2/g到構(gòu)筑后54.06 m2/g）、有效地解決納米線的團(tuán)聚問題、為法拉第反應(yīng)與離子傳輸提供了更多的活性位點(diǎn)。結(jié)果表明，通過構(gòu)筑分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可有效提高電化學(xué)性能。同時，針對不同條件下此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑過程，提出了基于“自組裝-取向搭接”機(jī)制的生長機(jī)理，為研究其他功能晶體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑做出了積極的理論探索。

獲獎情況

1. Nature Communications論文Hierarchical MnMoO4/CoMoO4 heterostructured nanowires for enhanced supercapacitor performance（Nature 子刊）。 2.ChinaNANO2011會議論文Hierarchical Heterostructured Nanowires for Supercapacitor。 3.支撐論文Molybdenum oxide nanowires: synthesis & properties (Materials Today，影響因子11.45)； Electrospun ultralong hierarchical vanadium oxide nanowires with high performance for lithium batteries（Nano Letters，影響因子：9.99）。 4.專利《鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線的制備方法》，申請?zhí)?0110048928.3。 5.湖北省第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎

鑒定結(jié)果

經(jīng)鑒定，情況屬實(shí)

參考文獻(xiàn)

超級電容器、納米材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)筑是當(dāng)前研究前沿?zé)狳c(diǎn)，在Science、Nature等頂級刊物發(fā)表數(shù)篇文章，現(xiàn)提供主要論文如下： 1. Miller, J. R.; Outlaw, R. A.; Holloway, B. C. Science 2010, 329, (5999), 1637-1639. 2. Pech, D.; Brunet, M.; Durou, H. Nat Nanotechnol 2010, 5, (9), 651-654. 3. Lee, S. W.; Yabuuchi, Shao-Horn, Y. Nat Nanotechnol 2010, 5, (7), 531-537. 4. Brezesinski, T.; Wang, J.; Tolbert, S. H. Nat Mater 2010, 9, (2), 146-151. 5. Miller, J. R.; Simon, P. Science 2008, 321, (5889), 651-652. 6. Li, J. F.; Huang, Y. F.; Ding, Y. Nature 2010, 464, (7287), 392-395. 7. Tao, A. R.; Ceperley, D. P.; Yang, P. D. Nano Lett 2008, 8, (11), 4033-4038. 8. Mai, L. Q.; Xu, L.; Han, C. H.; Zhao, Y. L. Nano Lett 2010, 10, (11),4750-4755.

同類課題研究水平概述

在全球能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的背景下新型儲能器件的開發(fā)利用具有重要的意義。電化學(xué)超級電容器是一種介于蓄電池和常規(guī)電容器之間的新型儲能設(shè)備及器件，它具有比常規(guī)電容器更大的比能量，比蓄電池更大的比功率和循環(huán)使用壽命、更快的充電速度。利用超級電容器和電池組成混合動力系統(tǒng)，能夠很好地滿足電動汽車啟動、加速等高功率密度輸出場合的需要。它可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如：混合電動汽車、燃料電池、移動電話、計算機(jī)等。目前，在通常情況下大多數(shù)商業(yè)超級電容器是由高比表面積的碳材料制成，這些超級電容器由于其較低的比電容量，無法獨(dú)立提供足夠的能量/功率密度。此外，由于超級電容器在高電流密度下工作其比容量將迅速下降，這也限制了其應(yīng)用。因此，通過增加其比表面積及構(gòu)筑復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)以提高其比電容量并實(shí)現(xiàn)在高電流密度下工作已成為研究熱點(diǎn)。 隨著人們對納米材料認(rèn)識的不斷深入，對其研究也逐漸實(shí)現(xiàn)從制備簡單的納米顆粒向設(shè)計和可控合成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的納米材料的過渡。其中在納米尺度上采用合理的異質(zhì)材料對主體材料進(jìn)行表面修飾從而得到更優(yōu)異的性能，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。而分級異質(zhì)納米材料由于其大的比表面積、更好的通透性、更多的表面活性位等結(jié)構(gòu)特征使其具備在光學(xué)、催化、電化學(xué)等多方面的廣泛的應(yīng)用前景。Mai等通過靜電紡絲的方法制備了超長釩氧化物分級納米線，極大地提高了鋰離子電池的電化學(xué)性能。Myung等采用氣相沉積法在ZnO上用CdSSe進(jìn)行包覆，得到了ZnO-CdSSe異質(zhì)核殼結(jié)構(gòu)，并極大提高了其光電化學(xué)性能。Meng等以TiO2納米線作為模板采用溶劑熱法使Bi2WO6在其上生長成為納米片，達(dá)到3D分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，研究表明此種結(jié)構(gòu)的納米材料的光催化性能相比單獨(dú)的TiO2 和Bi2WO6納米材料更為優(yōu)異。 鉬酸鈷和鉬酸錳均具備良好的電化學(xué)性能，在鋰電池等儲能器件的應(yīng)用上具備廣闊前景。本作品介紹了以鉬酸錳納米線為主干材料，通過冷凝回流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)納米棒對納米線的表面修飾，設(shè)計構(gòu)筑了鉬酸錳/鉬酸鈷分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線。提出了“自主裝-取向搭接”的晶體生長機(jī)制，為研究其他功能晶體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑做出了積極的理論探索。作為超級電容器，其電化學(xué)性能遠(yuǎn)高于一維納米材料，在新型儲能器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。
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