《新型低维功能材料的制造及其储能与传感特性》

以石墨烯、低维过渡金属氧化物等为代表的纳米功能材料由于其独特的结构和优异的物理、化学性质,在储能、光电、气敏、磁性、催化和生物医学等领域有着极为重要的研究价值和广泛的应用前景。因此,探索和发展新的合成方法,获得具有特定尺寸、形貌、维度的金属氧化物等功能材料,进而构筑功能化的纳米复合结构体系,实现其在储能、气敏等领域的应用具有非常重要的意义。

该项目在国家自然科学基金等课题资助下,针对低维碳、金属氧化物等纳米复合材料中各组成部分的材料匹配、界面设计、复合方法、结构演变规律等科学问题,系统开展了基于金属氧化物纳米复合功能材料制造及其储能、传感等特性的基础研究。重要科学发现如下:

1.开发了低维过渡金属氧化物/石墨烯(碳纳米管)等纳米复合功能材料的简易、低成本制造方法,为复合材料在超级电容器等储能器件应用奠定重要基础。采用氧化石墨烯(碳纳米管)结构缺陷诱导等方法,将金属氧化物如SnO2、Ni(OH)2、ZnO等量子点原位生长石墨烯片层或填补在石墨烯(碳纳米管)的缺陷位置,宏量制备出具有特定功能结构的石墨烯(碳纳米管)/金属氧化物复合物材料,开发出一种设计合理、低成本大量生产低维碳/金属氧化物纳米复合材料的普适方法。这种复合物材料具有优异的电化学储能性质,在保持较高功率密度的前提下,极大地提升了碳基超级电容器的能量密度,为发展高效实用化的电化学储能器件提供了理论基础与技术支持。

2.发展了多种低维金属氧化物半导体/硅纳米孔柱阵列复合体系,进一步拓展了其在气体传感器领域的应用。采用以硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为基底,将金属氧化物半导体与Si-NPA原位复合生长技术,制备了多种金属氧化物(ZnO、SnO2等)/Si-NPA纳米复合体系。这种结构独特、特性良好的非传统纳米结构阵列,极大地增加了其传感器的比表面积,非常有利于气体的传输,具有优异的气体传感特性,为发展高性能的气敏器件奠定基础。

3.开展了基于氧化铜纳米结构异质结的设计、构筑及其气敏等性能研究。作为一种新型重要功能材料,CuO纳米材料化学稳定性好、比表面积大、原料成本低、具有多形态纳米尺寸和环境友好等优势,在传感器、储能、催化材料、生物医药和环境治理等方面具有很好的应用前景。项目设计、制备了CuO/石墨烯、CuO/ZnO等多种异质结纳米复合材料,并结合微加工工艺,构筑其功能原型器件,获得了复合材料优异的气敏和光催化性能。通过对异质结表面和复合界面的结构调控,揭示了氧化铜异质结的光生载流子的分离机制。

该项目研究工作在Nano-Micro Letters等期刊共发表SCI论文69篇,8篇代表性论文被Chemical Reviews(影响因子52.613)、Advanced Energy Materials等国际重要期刊他引159篇,获得国内外同行的关注和认可。出版了4部学术专著,获得7项国家授权发明专利,相关结果不仅丰富了低维金属氧化物功能材料基础数据,而且为探索开发新型低维功能材料提供了科学理论依据和技术指导。

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