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项目名称 |
超级电容器碳基材料的构筑及赝电容提升机制 |
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主要完成人 |
赵玉峰，高发明，侯仰龙，唐永福，黄士飞 |
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主要完成单位 |
燕山大学、2138cn太阳集团古天乐 |
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提名单位 |
河北省教育厅 |
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项目简介： |
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超级电容器作为新型储能技术，具有功率密度高、循环性能好等优点，已在电动汽车、电力峰谷调节、可穿戴电子设备等领域发挥着重要作用。通过合理的化学与结构设计开发碳材料的赝电容储能，或者将碳材料与过渡金属化合物复合，构筑非对称超级电容器，可大幅提高电容器的能量密度，但会造成倍率和稳定性下降等问题。该项目针对上述关键科学问题，提出了新型碳基材料的制备及赝电容调控方法和理论，开发了多种具有超高体积比容量、超长循环稳定性碳基赝电容材料， 实现了高性能全固态超级电容器及非对称储能器件。项目取得若干创新性研究成果及科学发现，具体如下： (1) 建立了新型三维双连通结构碳中杂原子掺杂及富氧基团赝电容储能新机制。基于三维孔道结构和赝电容提升的协同效应，所得材料兼具高的质量比电容和循环稳定性，为提高碳基材料赝电容特性提供了新思路。英国诺丁汉大学学者引用了该研究成果并验证了我们富氧微孔碳的储能机理。 (2) 提出了新型金属催化剂离子预络合限域催化联合红磷辅助原位减薄(cutting-thin)策略，利用生物质制备N、P、O共掺杂三维石墨烯的普适性方法。所合成的三维石墨烯具有合适的多级孔径，致密性优于同类材料，基于该材料的柔性全固态超级电容器兼具高的体积和质量能量密度。丹麦皇家科学院院士高度肯定这一“cutting-thin biomass”合成方法所合成的材料展现出高比容量。 (3) 设计构筑过渡金属化合物/碳分子尺度二维杂化结构，提出界面非本征赝电容储能机制, 建立非对称储能器件中电池行为和电容行为材料的匹配原则。这种独特的分子尺度杂化结构可大幅增加电化学活性位点，同时解决过渡金属化合物本征导电性低的问题。澳大利亚昆士兰大学学者肯定我们的结构设计，认为“该结构对MnO2-rGO电化学性能的提高引人注目”。 |
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主要完成人情况 |
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排名 |
姓名 |
技术职称 |
工作单位 |
完成单位 |
主要贡献 |
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1 |
赵玉峰 |
教授 |
燕山大学 |
燕山大学 |
作为项目负责人，提出项目的总体研究思路及主要学术思想，对项目所有创新点均有贡献。提出界面非本征赝电容概念，构筑高性能非对称超级电容器，解决超级电容器功率密度和能量密度不可兼得的难题；提出红磷辅助原位减薄制备三维石墨烯的方法，构筑富氧多孔碳基材料的新方法，形成三维双连通结构碳的储能机制。代表性论文1、2、3、4、5的第一或通讯作者。 |
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2 |
高发明 |
教授 |
燕山大学 |
燕山大学 |
指导及参与项目总体思想设计及主要学术思想验证，参与设计新型离子/电子三维双连通结构碳、构筑二维金属化合物分子尺度杂化结构，实现了高性能碳基对称超级电容器及非对称储能器件。对所有创新点均有贡献。是代表性论文1、2、4、5的共同作者。 |
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3 |
教授 |
2138cn太阳集团古天乐 |
2138cn太阳集团古天乐 |
指导及参与项目总体思想设计及部分学术思想验证，提出红磷辅助原位减薄构筑高质量三维石墨烯的普适性方法，阐明了了边缘氧结构对于材料导电性及法拉第电容的提升及作用机理。是代表性论文1的通讯作者。 |
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4 |
唐永福 |
副教授 |
燕山大学 |
燕山大学 |
参与项目二维过渡金属化合物/碳电极材料的结构表征及电化学性能测试，对本项目中MnO2/rGO复合结构的储能机理有重要贡献。代表性论文2的共同作者。 |
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5 |
黄士飞 |
/ |
燕山大学 |
燕山大学 |
参与项目三维石墨烯电极材料的设计、结构表征及电化学测试，对本项目中三维石墨烯结构的控制合成及储能机制有重要贡献。代表性论文1的共同作者。 |
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主要完成单位： |
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第一完成单位：燕山大学
第二完成单位：2138cn太阳集团古天乐 |
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代表性论文专著目录 |
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1. Yufeng Zhao, Shifei Huang, Meirong Xia, Sarish Rehman, Shichun Mu, Zhi Zhang, Zhaoyang Chen, Faming Gao, Yanglong Hou, N-P-O Co-doped High Performance 3D Graphene Prepared through Red Phosphorous-assisted “Cutting-Thin” Technique: A Universal Synthesis and Multifunctional Applications, Nano Energy, 2016, 28:346-355 该论文作者中文姓名：赵玉峰，黄士飞，夏美荣，Sarish Rehman，木士春，张智，陈朝阳，高发明，侯仰龙 2. Yufeng Zhao, Wei Ran, Jing He, Yizhong Huang, Zhifeng Liu, Wei Liu, Yongfu Tang, Long Zhang, Dawei Gao, Faming Gao, High-Performance Asymmetric Supercapacitors Based on Multilayer MnO2/Graphene Oxide Nanoflakes and Hierarchical Porous Carbon with Enhanced Cycling Stability, Small, 2015, 11: 1310-1319 该论文作者中文姓名：赵玉峰，冉伟，何静，Yizhong Huang，刘志锋，柳伟，唐永福，张隆，高大威，高发明 3. Hongnan Ma, Jing He, Ding-Bang Xiong, Jinsong Wu, Qianqian Li, Vinayak Dravid, Yufeng Zhao, Nickel Cobalt Hydroxide @Reduced Graphene Oxide Hybrid Nanolayers for High Performance Asymmetric Supercapacitors with Remarkable Cycling Stability, ACS Applied Materials Interfaces, 2016, 8: 1992-2000 该论文作者中文姓名：马红楠，何静，熊定邦，Jinsong Wu, 李倩倩，Vinayak Dravid，赵玉峰 4. Yufeng Zhao, Wei Ran, Jing He, Yanfang Song, Chunming Zhang, Ding-Bang Xiong, Faming Gao, Jinsong Wu, Yongyao Xia, Oxygen-Rich Hierarchical Porous Carbon Derived from Artemia Cyst Shells with Superior Electrochemical Performance, ACS Applied Materials Interfaces, 2015, 7: 1132-1139 该论文作者中文姓名：赵玉峰，冉伟，何静，宋艳芳，张春明，熊定邦，高发明，Jinsong Wu，夏永姚 5. Yufeng Zhao, Zhi Zhang, Yuqin Ren, Wei Ran, Xinqi Chen, Jinsong Wu, Faming Gao, Vapor deposition polymerization of aniline on 3D hierarchical porous carbon with enhanced cycling stability as supercapacitor electrode. Journal of Power Sources, 2015, 286: 1-9 该论文作者中文姓名：赵玉峰，张智，任玉琴，Xinqi Chen, Jinsong Wu, 高发明 |