中空纳米结构在表界面化学能源存储中的应用

doi:10.6023/A20060215

化学学报 ›› 2020, Vol. 78 ›› Issue (11): 1200-1212.DOI: 10.6023/A20060215 上一篇下一篇

综述

中空纳米结构在表界面化学能源存储中的应用

毕如一^a,b, 毛丹^a,c, 王江艳^a,c, 于然波^b, 王丹^a,c

a 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室北京 100190;
b 北京科技大学冶金与生态工程学院北京 100083;
c 中国科学院大学北京 100049

投稿日期:2020-06-08 发布日期:2020-08-15
通讯作者: 王江艳, 于然波, 王丹 E-mail:jywang@ipe.ac.cn;ranboyu@ustb.edu.cn;danwang@ipe.ac.cn
作者简介:毕如一,目前在北京科技大学攻读博士学位,主要的研究方向为新型二次电池/超级电容器的构建及其关键材料的电化学性质研究;王江艳,中国科学院过程工程研究所研究员.2010年于中国矿业大学(北京)取得工学学士学位,2016年1月于中国科学院大学过程工程研究所获得博士学位.2016年3月赴美国斯坦福大学开展博士后研究.以"微纳米结构材料的设计,可控合成及其能源存储应用"为研究核心,致力于功能化微纳米材料的设计及可控合成,并着重研究材料结构与其电池/超级电容器储能性能的构效关系.发表SCI论文50余篇,其中以第一作者或共同第一作者总共发表论文20余篇,包括Nat.Energy,Nature Rev.Chem.,Sci.Adv.,J.Am.Chem.Soc.,Nano Lett.,Angew.Chem.Int.Ed.,Adv.Mater.等;于然波,教授,博士生导师.1994年毕业于吉林大学化学系,1997年获吉林大学理学硕士学位,2002年获得日本国立山梨大学材料科学专业工学博士学位.2002至2004年先后作为日本学术振兴会特别研究员及博士后研究员在日本京都大学和美国休斯敦大学从事研究工作.2004年4月起加入北京科技大学工作.2005年北京市"科技新星计划",2007年教育部"新世纪优秀人才支持计划",2016年获得"日本陶瓷协会中日交流促进奖",2018年获得中国颗粒学会"自然科学奖"一等奖(第二完成人),并担任Materials Today Energy期刊国际编委(Editorial Board Member).研究方向主要包括无机材料化学和表面化学,重点研究微/纳米结构功能材料的发展及其在能量转换和存储方面的应用.发表SCI论文180余篇,包括Nat.Energy,Adv.Mater.,J.Am.Chem.Soc.,Angew.Chem.Int.Ed.,Chem.Soc.Rev.等,他引5200余次,高被引6篇.申请专利25项,已授权12项;王丹,研究员,博士生导师.1994年获吉林大学学士学位,1997年获吉林大学硕士学位,2001年获日本国立山梨大学博士学位.先后在日本京都大学化学研究所等单位从事博士后研究工作;2004年2月加入中国科学院过程工程研究所任研究员.任高等化学学报与Chemical Research in Chinses University杂志的执行主编,Materials Chemistry Frontiers的副主编,Energy Environmental Science,Matter,Advanced Science等期刊的顾问编委.主要从事无机多功能结构体系的合成化学研究,包括中空多壳层结构的设计、合成与应用;二维材料的掺杂与复合;多组分高效电极的制备与应用研究.迄今已在Nat.Chem.,Nat.Energy,Nat.Rev.Chem.,Chem.Soc.Rev.,Chem,J.Am.Chem.Soc.,Angew.Chem.Int.Ed.,Adv.Mater.等期刊发表SCI论文170余篇,入选科睿唯安(Clarivate Analytics)2018年度与2019年度"高被引科学家"名单.
基金资助:
项目受国家自然科学基金（Nos.51872024，21820102002，21590795，51661165013）和中国科学院科研装备研制项目（No.YZ201623）资助.

Hollow Nanostructures for Surface/Interface Chemical Energy Storage Application

Bi Ruyi^a,b, Mao Dan^a,c, Wang Jiangyan^a,c, Yu Ranbo^b, Wang Dan^a,c

a State Key Laboratory of Biochemical Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
b School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
c University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received:2020-06-08 Published:2020-08-15
Supported by:
Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 51872024, 21820102002, 21590795, 51661165013) and the Scientific Instrument Developing Project of the Chinese Academy of Sciences (No. YZ201623).

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摘要/Abstract

中空纳米结构因具有有效比表面积大、传输路径短、缓冲性能好等优势，在能源转换和存储领域受到人们的广泛关注，本综述详细总结了中空纳米结构材料在以超级电容器为代表的表界面化学能源存储领域的研究进展.首先介绍了表界面化学能源存储的机理和挑战；其次详细讨论了中空材料的微观结构参数对表界面化学能源存储装置性能的影响；然后系统概述了近年来研究者如何利用中空纳米结构解决表界面化学能源存储中的问题并优化电容器性能；最后，展望了中空纳米结构在表界面化学能源存储中面临的挑战和未来的发展方向.

关键词: 中空纳米结构, 表界面, 超级电容器, 比电容

Hollow nanostructures garner tremendous interest in the area of energy conversion and storage, owning to its large surface area, facilitated transport path and good buffering capability. In this paper, we summarize the recent research on hollow nanostructures with controllable structure and morphology for surface/interface chemical energy storage. First, we introduce the charge storage mechanism and challenges of surface/interface chemical energy storage, mainly including supercapacitor. Subsequently, we discuss the influence of structure parameters of hollow nanostructures on the performance of surface/interface chemical energy storage device in detail. Afterwards, we systematically outline the recent applications of hollow nanostructures as electrode materials for supercapacitors. By adopting hollow nanostructures, the specific capacitance, cycle stability and rate capability of supercapacitors can be greatly improved. Finally, the emergent challenges and future development directions in hollow nanostructures for surface/interface chemical energy storage are provided.

Key words: hollow nanostructure, surface/interface, supercapacitor, specific capacitance

引用此文

毕如一, 毛丹, 王江艳, 于然波, 王丹. 中空纳米结构在表界面化学能源存储中的应用[J]. 化学学报, 2020, 78(11): 1200-1212.

Bi Ruyi, Mao Dan, Wang Jiangyan, Yu Ranbo, Wang Dan. Hollow Nanostructures for Surface/Interface Chemical Energy Storage Application[J]. Acta Chimica Sinica, 2020, 78(11): 1200-1212.

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中空纳米结构在表界面化学能源存储中的应用

Hollow Nanostructures for Surface/Interface Chemical Energy Storage Application

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