该项目主要属材料科学领域。

能量高效储存与转化是能源清洁利用的关键，而超级电容器、燃料电池等能量储存和转化器件的性能与电极材料密切相关，因此发展高性能复合电极材料对于能量高效利用具有积极意义。碳基杂化电极材料组分间相互作用弱，导致结构稳定性差，严重影响其寿命和循环稳定性。如何增强其相互作用，提高结构稳定性是碳基电极材料亟需解决的关键问题。该项目分析了组分间的相互作用方式，利用氧化石墨烯（GO)的表面含氧官能团、独特的二维结构，设计了GO和金属（氢）氧化物、贵金属粒子、聚合物等三类杂化材料，并建立了相应的通用制备方法。围绕无机纳米粒子在GO表面生长机理、聚合物与GO共价和非共价耦合及其相互作用机制，以及杂化材料组分间的协同作用对电化学活性的影响等科学问题，开展了系统研究，主要科学发现为：

1.通过分析不同溶剂与晶体的相互作用强弱，发现醇-水在不同晶面的配位差异可引导晶体取向生长，提出醇-水双重溶剂微结构控制原理，建立了具有强耦合作用的GO-金属(氢)氧化物杂化材料的通用制备方法，实现了GO和多种过渡金属氧化物、氢氧化物杂化材料的可控合成。通过组分、结构等调控，获得储能密度高、循环寿命长的电极材料，阐明了杂化材料的独特结构及组分间的强耦合作用提升储能性能的机理，为设计和合成高性能超级电容器电极材料提供了理论和实验依据。此外，还发现此类杂化材料具有良好的多功能性，例如G0-C0₃0₄、GO-CuO等作为催化剂，能明显提高高氯酸铵（AP)的能量释放率。

2.发现在醇-水体系中，醇能还原贵金属离子，所生成的金属纳米粒子又能进一步催化GO的还原，生成还原氧化石墨烯，扩大了共辗区，不仅能改善杂化体系的导电性，而且有利于增强金属纳米粒子与GO的相互作用，提高体系的结构稳定性。在此基础上，建立了Pt等多种贵金属颗粒与GO均匀可控杂化的通用方法，发现所制备的GO-Pt具有良好的甲醇催化氧化活性。为了进一步保持石墨烯的结构稳定性，该工作还设计制备了低缺陷石墨烯片（GNP)-贵金属粒子体系，如GNP-Pt等，其催化氧化活性和抗中毒能力得到明显提升。

3.在分析GO表面的含氧基团与聚合物官能团之间的相互作用的基础上，设计了GO与聚合物的共价和非共价耦合模式。建立了二异氰酸酯桥联接枝GO的合成方法，得到共价耦合并具有双亲功能的GO。用C-N共价键作用构筑出适合锂离子迁移的GO-氮化碳杂化电极材料，揭示了键合作用机理。探究了GO的尺寸、溶剂的极性等对其表面原位生长的导电聚合物微结构的作用机制：发现组分间的协同效应能明显提高材料储电容量，导电聚合物与GO的含氧基团之间的静电吸引、氢键连接，以及聚合物苯环与GO共轭区的π-π耦合作用可有效增强电极材料的结构稳定性，显著提高了材料循环寿命。

项目8篇代表性论文SCI他引3025次，单篇最高SCI他引1094次。包括美国科学院、工程院及艺术与科学院三院院士M. S. Dresselhaus教授、第三世界科学院院长C. N. R. Rao教授、美国艺术与科学院院士戴宏杰教授等著名学者对项目工作给予了正面评价。项目研究成果获2015年度江苏省科学技术一等奖。

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