高比表面積碳材料雙電層電容的限制因素

《高比表面積碳材料雙電層電容的限制因素》是依託中國科學技術大學，由季恆星擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高比表面積碳材料雙電層電容的限制因素
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：季恆星
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

提高碳材料的比表面積是提升雙電層電容器能量密度的重要手段，然而，與此同時單位面積雙電層電容的降低導致電容器能量密度無法有效提高，從而限制了雙電層電容器的套用領域。因此，深入理解限制高比表面積碳材料雙電層電容的關鍵因素，是進一步最佳化設計碳材料提高雙電層電容器能量密度的關鍵。然而由於碳材料結構、形態多樣，導致採用常規的粉末材料進行研究相對困難。申請人在單層石墨烯晶體薄膜研究和碳材料電化學性能最佳化的基礎上，在此提出：碳材料比表面積的提高所引發的電子結構的改變會極大地影響單位面積雙電層電容的大小。申請人擬將以單層石墨烯晶體薄膜為研究對象，以獲得具有結構簡單、比表面積和電子結構（電子態密度、載流子濃度）可控的碳電極，克服對粉末材料測量中所存在的不確定因素，探索碳材料電子結構對雙電層電容的影響，為設計製備碳電極材料開拓新的思路。

結題摘要

本項目按照計畫執行。主要研究目標是理解高比表面積碳材料電子結構對雙電層電容的影響規律，歸納出限制碳電極雙電層電容的主要因素，通過碳電極結構調控提升電極雙電層電容的途徑與機制，為設計具有高比電容石墨烯電極提供理論和實驗依據。在項目的資助下，我們在如下幾個方面取得了一些重要進展：（1）發現石墨烯材料較低的電子態密度所產生的量子電容是限制碳材料雙電層電容的重要因素；（2）發現石墨烯材料中結構缺陷和原子摻雜對材料電子態密度作用規律的差別；基於此，發現這兩種結構因素對提升雙電層電容的不同作用機制；（3）實驗合成了一系列具有最佳化結構的碳電極材料，實現雙電層電容的有效提升。項目研究成果主要以學術論文形式發表。在Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等學術期刊上發表論文11篇。在國內外學術會議上做與本項目相關的邀請報告8次，舉辦“海峽兩岸電化學學術研討會一次。項目執行期間研究組畢業碩士研究生3名。目前在讀博士研究生5人，碩士研究生5人。