《基于去合金化策略的纳米材料的可控制备及电化学性能研究》

综合利用新型清洁能源是解决能源短缺与生态环境破坏问题的重要途径。质子交换膜燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的高效发电装置;锂离子电池是新能源存储和利用的重要装置。采用简便的方法设计制备高性能的电池电极材料,对于促进高效清洁能源的应用具有重要的意义。该项目围绕去合金化方法,以纳米材料的结构调控和电化学性能提高为主旨,将去合金化方法发展为一种普适的可以进行多种纳米材料合成与制备的技术,实现了纳米多孔合金、金属氧化物及其复合材料、纳米多孔硅基复合材料等的可控制备。揭示了一系列新颖的电化学反应特性,拓展了去合金化技术,为相关新型纳米电极材料的研制及促进它们在先进能源技术领域的应用,提供了实验和理论依据。主要发现点如下:

(1)将去合金化方法发展为一种普适的制备纳米多孔钯合金电催化剂的方法。通过对合金前驱体进行成分与比例设计,调节去合金化参数,简便地实现了纳米多孔钯合金结构尺寸与组分的可调可控。通过实验与理论计算研究,揭示了结构尺寸、组分与电催化性能之间的规律关系,获得了一系列催化活性优异、抗中毒能力强、稳定性高的纳米电催化剂,为高效燃料电池催化剂的结构与组分设计,提供了新的认识和研究思路。

(2)将去合金化方法拓展到Mn、Co、Fe、Ti等活泼金属合金体系,基于活泼金属在去合金化过程中的自然氧化与自组装,经过一步去合金化实现了一系列金属氧化物及其复合纳米材料的可控制备,通过纳米化、导电金属的引入、多组分增效等多方面的协同作用,提高了金属氧化物的可逆储锂容量、倍率性能及循环稳定性。

(3)首次将去合金化方法应用于纳米多孔硅基复合材料的可控制备,在温和安全的稀酸条件下腐蚀铝基三元合金前驱体,简便安全地制备出结构均匀的多层次纳米多孔SiAg和SiCu复合材料,无有毒试剂与高温复杂程序的使用,丰富的孔隙及导电金属的引入显著缓解了硅的体积效应,实现了硅负极材料可逆储锂容量、倍率性能与循环稳定性等的优化提高,为高性能硅基负极材料提供了一条绿色安全高效、适于规模化的制备途径,有助于促进新型锂离子电池负极材料的开发与应用。

项目组自2010年至2017年3月,承担了3项国家自然科学基金,3项省厅级自然科学基金。在J.Mater.Chem.A、Nano Res.、ChemSusChem、Nanoscale、J.Power Sources、J.Catal.等知名期刊上发表SCI论文50余篇,总他引1800余次,其中JCR一区论文27篇,ESI高被引论文4篇,授权中国发明专利3项,部分成果获2012和2018年山东省高等学校科学技术奖一等奖。8篇代表性论文均为JCR一区论文,2篇入选ESI高被引论文,SCI他引343次。被澳大利亚工程科学院Shixue Dou院士、美国医学与生物工程院李长明院士、欧盟科学院邵宗平院士、中国科学院孙世刚院士、第三世界科学院董绍俊院士,长江学者、国家杰出青年基金获得者王训教授等国内外知名专家在Chem.Rev.、Chem.Soc.Rev.、Adv.Mater.等权威刊物上广泛引用和评述。

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