基本信息
- 项目名称：
- 钼酸锰/钼酸钴分级异质结构纳米线设计构筑与超级电容器性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品以钼酸锰纳米线为主干材料，通过冷凝回流技术，实现了异质纳米棒对纳米线的表面修饰，率先设计构筑了钼酸锰/钼酸钴分级异质结构纳米线。作为超级电容器电极活性材料，比电容在电流密度为1A/g时可达187.1 F/g，相比同类0维和1维纳米材料，提高了1-2个数量级，经1000次循环比容量保持率高达98%。同时，提出了 “自组装-取向搭接”生长机理，为研究构筑其他功能晶体复杂结构做出了积极的理论探索。
- 详细介绍：
- 在纳米尺度上采用合理的异质材料对主干纳米棒进行表面修饰从而得到更优异的性能，是当前研究的热点与前沿之一。本作品以钼酸锰纳米线为主干材料，通过冷凝回流技术，实现了异质纳米棒对纳米线的表面修饰，率先设计构筑了钼酸锰/钼酸钴分级异质结构纳米线。作为电化学超级电容器电极活性材料，比电容在电流密度为1A/g时可达187.1 F/g，相比同类0维和1维纳米材料，提高了1-2个数量级，经过1000次循环后比容量保持率高达98%。这主要归因于比表面积的增大（从构筑前的3.17 m2/g到构筑后54.06 m2/g）、有效地解决纳米线的团聚问题、为法拉第反应与离子传输提供了更多的活性位点。结果表明，通过构筑分级异质结构，可有效提高电化学性能。同时，针对不同条件下此复杂结构的构筑过程，提出了基于“自组装-取向搭接”机制的生长机理，为研究其他功能晶体复杂结构的构筑做出了积极的理论探索。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 超级电容器作为重要的新型储能器件，对于缓解能源危机和解决环境污染问题具有重要意义。如何提高超级电容器比容量和循环性能、增大电极材料比表面积、解决团聚问题是当今研究热点。 本作品以钼酸锰纳米线为主干材料，通过冷凝回流技术，设计构筑钼酸锰/钼酸钴分级异质结构纳米线。基于构筑过程，提出 “自组装-取向搭接”的生长机理。研究其电化学性能，为研究复杂结构超级电容器性能做出了积极的理论探索。
科学性、先进性及独特之处
- 1.率先设计构筑了钼酸锰/钼酸钴分级异质结构，实现了异质纳米棒对主干纳米线的表面修饰。 2.显著提高了超级电容器性能，相比同类0维和1维纳米材料，比容量提高了1-2个数量级。 3.采用简单冷凝回流技术，常温常压下即可实现产物可控合成与设计构筑。 4.提出了“自组装-取向搭接”生长机理，为研究构筑其他功能晶体复杂结构做出积极的理论探索；对分级异质结构提高超级电容器电化学性能给予合理的理论解释。
应用价值和现实意义
- 通过简单的冷凝回流技术，实现了异质纳米棒对主干纳米线的表面修饰，为今后构筑分级异质结构纳米线并实现商业化生产提供了简便有效的方法。 提出“自组装-取向搭接”的生长机理，为研究构筑其他功能晶体复杂结构做出了积极的理论探索。 以钼酸锰/钼酸钴分级异质结构纳米线为电极活性材料的超级电容器，实现了高电流密度下工作,获得了较高的比容量和良好的循环性能，为超级电容器的工业应用提供了可能。
学术论文摘要
- 论文摘要： 在纳米尺度上采用合理的异质材料对主干纳米棒进行表面修饰从而得到更优异的性能，是当前研究的热点与前沿之一。本文以钼酸锰纳米线为主干材料，通过冷凝回流技术，实现了异质纳米棒对纳米线的表面的修饰，率先设计构筑了钼酸锰/钼酸钴分级异质结构纳米线。作为电化学超级电容器电极活性材料，比电容在电流密度为1A/g时可达187.1 F/g，相比同类0维和1维纳米材料，提高了1-2个数量级，经过1000次循环后比容量保持率高达98%。这主要归因于比表面积的增大（从构筑前的3.17 m2/g到构筑后54.06 m2/g）、有效地解决纳米线的团聚问题、为法拉第反应与离子传输提供了更多的活性位点。结果表明，通过构筑分级异质结构，可有效提高电化学性能。同时，针对不同条件下此复杂结构的构筑过程，提出了基于“自组装-取向搭接”机制的生长机理，为研究其他功能晶体复杂结构的构筑做出了积极的理论探索。
获奖情况
- 1. Nature Communications论文Hierarchical MnMoO4/CoMoO4 heterostructured nanowires for enhanced supercapacitor performance（Nature 子刊）。 2.ChinaNANO2011会议论文Hierarchical Heterostructured Nanowires for Supercapacitor。 3.支撑论文Molybdenum oxide nanowires: synthesis & properties (Materials Today，影响因子11.45)； Electrospun ultralong hierarchical vanadium oxide nanowires with high performance for lithium batteries（Nano Letters，影响因子：9.99）。 4.专利《钼酸锰/钼酸钴分级异质结构纳米线的制备方法》，申请号20110048928.3。 5.湖北省第八届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖
鉴定结果
- 经鉴定，情况属实
参考文献
- 超级电容器、纳米材料复杂结构构筑是当前研究前沿热点，在Science、Nature等顶级刊物发表数篇文章，现提供主要论文如下： 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.
同类课题研究水平概述
- 在全球能源危机日益严峻的背景下新型储能器件的开发利用具有重要的意义。电化学超级电容器是一种介于蓄电池和常规电容器之间的新型储能设备及器件，它具有比常规电容器更大的比能量，比蓄电池更大的比功率和循环使用寿命、更快的充电速度。利用超级电容器和电池组成混合动力系统，能够很好地满足电动汽车启动、加速等高功率密度输出场合的需要。它可以应用于很多领域，如：混合电动汽车、燃料电池、移动电话、计算机等。目前，在通常情况下大多数商业超级电容器是由高比表面积的碳材料制成，这些超级电容器由于其较低的比电容量，无法独立提供足够的能量/功率密度。此外，由于超级电容器在高电流密度下工作其比容量将迅速下降，这也限制了其应用。因此，通过增加其比表面积及构筑复杂异质结构以提高其比电容量并实现在高电流密度下工作已成为研究热点。 随着人们对纳米材料认识的不断深入，对其研究也逐渐实现从制备简单的纳米颗粒向设计和可控合成具有复杂结构的纳米材料的过渡。其中在纳米尺度上采用合理的异质材料对主体材料进行表面修饰从而得到更优异的性能，是当前研究的热点之一。而分级异质纳米材料由于其大的比表面积、更好的通透性、更多的表面活性位等结构特征使其具备在光学、催化、电化学等多方面的广泛的应用前景。Mai等通过静电纺丝的方法制备了超长钒氧化物分级纳米线，极大地提高了锂离子电池的电化学性能。Myung等采用气相沉积法在ZnO上用CdSSe进行包覆，得到了ZnO-CdSSe异质核壳结构，并极大提高了其光电化学性能。Meng等以TiO2纳米线作为模板采用溶剂热法使Bi2WO6在其上生长成为纳米片，达到3D分级异质结构的构筑，研究表明此种结构的纳米材料的光催化性能相比单独的TiO2 和Bi2WO6纳米材料更为优异。 钼酸钴和钼酸锰均具备良好的电化学性能，在锂电池等储能器件的应用上具备广阔前景。本作品介绍了以钼酸锰纳米线为主干材料，通过冷凝回流技术，实现了异质纳米棒对纳米线的表面修饰，设计构筑了钼酸锰/钼酸钴分级异质结构纳米线。提出了“自主装-取向搭接”的晶体生长机制，为研究其他功能晶体复杂结构的构筑做出了积极的理论探索。作为超级电容器，其电化学性能远高于一维纳米材料，在新型储能器件中具有广阔的应用前景。
