新型功能化碳材料及其高效能量转化与储存系统国际科技合作基地
发布时间: 2015-01-15 10:37:33   作者:科学技术处   来源: 本站原创   浏览次数:

以“新型功能化碳材料及其高效能量转化/存储系统”项目为依托,洁净能源与先进材料研究院与美国凯斯西储大学先进碳材料中心联合建立了重庆市国际科技合作基地。研究院在新型碳材料的合成及应用,以及在燃料电池、太阳能光伏电池、锂离子电池和超级电容器的研发方面有着丰富的经验和雄厚的实力,有些已达世界先进或一流水平。美国凯斯西储大学的碳材料先进科学和工程研究中心在碳材料,特别是在功能碳纳米管包括垂直排列碳纳米管阵列的制备和应用方面,及在燃料电池催发剂的研发上具有国际领先水平。本国际合作基地的建立,双方将强-强联合、优势合作和碳材料资源共享将促进我国相关领域重大科学问题与关键瓶颈技术解决和突破,极大加速我国新能源及电动汽车等产业的快速发展。

基地经过三年建设,结合美方技术优势和自身特点,在能源存储与转换材料领用取得了一些新的进展与突破,主要包括:发展了一系列基于三维石墨烯纳米碳材料以及三维石墨烯/卟啉复合材料,由于不涉及纳米金属颗粒的脱落与团聚,该碳材料不仅具有很好的氧还原催化性能和稳定性能,而且展现出优良的抗一氧化碳中毒能力,明显优于当前的商业化Pt/C催化剂。在大大降低燃料电池阴极催化剂价格的同时拓宽了非金属催化剂的研究思路。其次,为进一步提高阳极甲酸氧化的催化性能,我们采用相对铂金价格便宜且性能更为优良的钯金作为催化剂,使用DNA修饰的石墨烯作为载体。由于DNA具有良好的调控作用可以在石墨烯表面均匀沉积超小的钯纳米颗粒,不仅提高了甲酸氧化的催化性能,同样也展现出较好的稳定性能,这也为制备高性能甲酸催化剂提供了新路径。使用甲酸作为还原剂于水热条件下一步法制备了超小钯纳米晶/石墨烯催化剂并对其甲酸氧化催化行为进行了研究,发现制备的该催化剂具有比商业化Pd/C催化剂具有更高的比表面积和电化学活性比表面积,同时展现出更高的甲酸氧化催化活性和稳定性能,这可以归因于均匀分散的超小钯纳米晶和石墨烯的协同作用,同时我们认为使用甲酸作为还原剂制备的钯纳米晶,反向用于甲酸氧化有利于钯纳米晶对于甲酸的吸附,促进了电催化过程的进行。

此外,我们首次采用纳米建构和化学调控相结合的方法,证明了一种新颖高效的“伞状”结构光电化学水分解电极,该电极以TiO2纳米棒阵列作为“伞撑”,以多层Bi2S3/rGO作为“伞面”。其中,rGO作为很好的电子传递桥梁,可以快速地将电子从Bi2S3传导到TiO2纳米棒阵列,从而促进电荷的有效拆分,提高了光解水的效率。另外,rGOBi2S3TiO2三者形成阶梯状的能级结构,不仅利于电子导向Pt对电极来催化产氢,同时也阻挡了电荷的背复合发生,从而在可见光下获得了1.2% 表观产氢效率,是其他结构电极的4-5倍。

在美方的技术指导下,我们选择还原氧化石墨烯作为碳材料,吡咯作为氮源,通过水热和热裂解法分别制备了氮掺杂的石墨烯。并对制备样品的氮掺杂量,氮键合类型,孔结构和催化活性进行了系统的分析。实验结果表明氮掺杂石墨烯气凝胶拥有丰富的纳米孔和3D交联的网状结构,这为电化学反应的快速进行提供了可能,作为氧还原催化剂,氧还原催化电流甚至略高于商业铂催化剂。另外,采用有序介孔碳或聚苯胺纳米线作为“分隔器”与导向剂,使相邻的石墨烯片层隔开,通过水热过程自组装形成的混杂型气凝胶具有更大的活性比表面积,有利于吸附更多的电解液离子,可以为电化学反应提供更多的反应活性位和有效快捷的离子通道。作为电化学储能器件,比电容和倍率容量大大提高。

传统的电池是高能量密度(20-150 Wh/Kg)低功率密度(50-200 W/Kg)的储能设备,超级电容器具备高功率密度(5-10000 W/Kg),而能量密度(1-10 Wh/Kg)却差强人意。我院的电池型超级电容器将电池型材料与电容型材料巧妙结合,制备出器件的能量密度可高达293 Wh/Kg,并可同时获得3191 W/Kg的高功率密度。我们的电池型超级电容器通过巧妙的工艺将电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度相结合,解决了能源领域电池和超级电容器必须搭配使用的窘境。目前在国内外还没有任何一种报道的电池或超级电容器可以获得这一性能,因此我们对电池型超级电容器的研究处于国际领先的水平。我们的电池型超级电容器除了同时具备高功率密度和高能量密度以外,还具有比容量高(484 F/g),稳定性好等特点。因此可广泛应用于手机快速充电、柔性电子器件、电动车辆、大型仪器设备等的电源。

锂离子电池由于具有较高的能量密度,长的循环寿命,无记忆效应等特性已经被大量的应用于便携式笔记本,电动汽车和智能电网中。然而由于锂资源的紧缺和不均匀分布严重的影响了锂离子电池的进一步发展。钠离子电池作为一种替代锂离子电池的新型的能源储存器件已经在全世界范围内引起了研究者的广泛关注。在我们的研究中,Sb2O3作为钠离子电池的阳极材料被固定在由Polymer brush构建的特殊的三维结构上表现出了好的循环稳定性超过100 cycles 和高的比容量445 mAhg-1。同时也展现出了很好的倍率特性,在800 mAg-1的电流密度下其比容量达到170 mAhg-1且循环寿命超过100 cycles。主要的原因可能归因于特殊的三维结构可以抑制在合金转化反应过程中Sb2O3材料的团聚和塌陷,同时增加钠离子插入和脱出的路径,也增加了电解液和阳极材料间的接触面积。

在产业化进程中,我们搭建了成熟的锂/钠电平台。开发的石墨烯/ Na3V2O2(PO4)2F三明治结构的钠离子电池正极材料放电容量可达120 mAh/g,循环100圈后容量仍然保持在90 %以上;网络结构的NaVPO4F/C复合材料,首次放电容量能高达140 mAh/g,且具有优异的循环稳定性,具有了产业化的可行性,目前正在积极推进产业化。

基地现共有教学科研人员20人,行政管理人员2人,专职实验人员1人。所有教学科研人员全部具有博士学位,占教学科研人员的100%。其中博导3人,硕导15人。教职工中,具有正高职称的教学科研人员5人(含美国医学与生物工程院院士、中组部“千人计划”入选者1人,教育部“新世纪优秀人才计划”入选者1人),具有副高职称的教学科研人员8人,讲师4人。现有教学科研人员80%以上具有在海外学习工作两年以上的经历。荣誉教授1人(美国佐治亚理工学院王中林教授,中国科学院海外院士),客座教授1人(美国伊利诺斯大学Urbana-Champaign分校陆艺教授),兼职教授7人,柔性引进海外知名学者5人。建设期间,基地获批省部级以上纵向项目27项,横向项目2项,累计经费1036万元;发表SCI论文90篇,其中影响因子大于1012篇,影响因子大于550篇;申请专利35项,授权3

基地合作双方交流方面,李长明教授于20138月赴美方实验室访问交流,美方负责人戴黎明教授在201310月到我方进行交流,介绍了美方在碳纳米材料方面研究的最新进展并将部分材料交给我方进行能源转化/存储方面的应用研究。我方也派出一名博士生赴凯斯西储大学进行了为期一年的交流学习。以本国际合作基地为依托,研究院积极开展国际学术交流活动,基地在2013年与英国皇家化学会联合主办了可持续能源存储与转化国际研讨会,承办了2013重庆行动,2014年举办了洁净能源与先进材料国际会议,并多次邀请来自美国、加拿大、澳大利亚、英国、韩国、新加坡等国家的著名学者来访交流。