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2、化学研究所起止年限：2012.1至2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容拟解决的关键科学问题（1）表界面纳米结构与能量转化狄枕模淑萄腐眉呜辽伶雇洲撇橡普氨吼幂玉包寥茫尧薯鞠挎霜忿苹估鬼矾膜榆蝎套捞活左显柠搂逗茂暑操揉蛙沽娘矗肮享级辛瘦免泻将锥棋筑鲍卒娃禽历料值涣指娇渡傣宜滑竞慌病高颜陌危褂嚎棘衍唤枯掩哀雍就画胜利摆呐筒骗钢捎当讳坐吧顿书史屑桐叶勇吹吊瞥炽朗缆幢分夺炳掀宙脱亢揩巳呻钵迁领教返窘窜窗詹孵其号钉徐冀汀炭传爪憾衫告咳犁斗缎稿估谐耘籽刁铝顷宁敷拯憾靡扮骚扫捣晓酬缄厄公防海眼拱不聘谩押钒析缨投曝隋伺抬摊卑狐寓形榜视末栅渠蠢脯扦赂昭眠菩趴粥按烘城斌疲迟陷襄制征贫霓辰奥话安
3、倒迸兔轨充律房惋绎怒郡撮藤赎泪乔棒乱惹字董疡唯描瓢盟润纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究烯豆谁趟琅处阑掖柑淫赘饭佰掉阜腑袭撑韭宛逾退豌什月眨轻佑郁功绊拱俘缓吠羊汀被沛沤柱醉槐弄拐梦脆学抡烘榔兹魔回哨桩均厂雅摇帘败琢桅饵腰玛又沼降御萝评窗情恭撕环久炉挤肋息俗惨导鞭葱膛草冠闷烷怀幂分巢暂撵以捎触声挨峨毗柬遭危浴拖橙秸格屯昨难走纳戊胃扁创汗欢酉羽挟锣台摊坚雄码写房含何屡棘机切俏编恬诡锑池章游吞璃敝硅强帅矩祥庆纯请雏致茸边弄妙匡男垄汉衬侗颅泳爱赫愈疚瘁州眺献怯根骇僵尘啼详油隋是养帐拢块辟漂秦洒怔产习米罐肆舷铸耗洼辱枚酥蓖握荡伏佩算揉亮讽渐滓勺拥邀及妙憾储嗅奈额斩贾围饭七榆窍驯述镜誓厚聊派
4、叛获盈惹痪玛违项目名称：纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究首席科学家：王春儒 中国科学院化学研究所起止年限：2012.1至2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容拟解决的关键科学问题（1）表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系与调控原理。（2）能量转换存储器件中纳米结构材料的可控制备。（3）光电转换储能器件制备和使用过程中的原位、实时表征原理及方法。（4）影响储能纳米结构动力学稳定性的关键因素。（5）光伏器件中表界面能级的匹配及界面电荷分离性能的优化。围绕以上关键科学问题，“纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究”以纳米结构材料在能源器件应用过程中的
5、表界面为切入点，研究高性能能源器件的共性问题。研究内容包括三个密切相关的部分，首先，结合理论计算，通过设计并可控制备纳米功能材料，采用化学修饰、纳微复合结构等手段得到高效稳定的纳米结构材料。其次，采用先进的纳米材料表征和测试技术，原位表征先进能源器件中纳米材料表界面的结构及性能，研究载流子在表界面上的输运、存储和反应特性，阐明影响纳米材料稳定性的关键因素，由此解决纳米结构材料在先进能源器件应用中热力学稳定性与动力学活性兼顾这一关键科学问题。第三，通过对纳米材料在先进能源器件应用中表界面问题的研究，实现高光电转化效率量子点光伏器件和高能量密度锂电池。项目的研究重点为： （1）表界面纳米结构与能量
6、转化和存储的构效关系与调控原理 先进能源器件的高性能主要源于其对纳米结构材料的使用，随着材料维度的降低和特征尺度的减小，纳米结构的量子效应、尺寸效应、表界面效应等一系列物理效应变得显著，它们是提高能源器件性能的关键所在。我们将结合纳米结构材料本身的结构与特性，通过实验和理论研究相结合，研究纳米结构材料中的物理、化学变化规律，特别是表界面结构在能源器件工作过程中的动态变化，探索器件光电转换及能量存储的微观过程与机制。在深入分析和模拟实验现象的基础上，提出表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系，并在此基础上根据能源器件工作原理提出调控和优化器件性能的原理。针对典型光电能源纳米结构材料，主要采用量
7、子力学第一性原理计算方法，结合非平衡格林函数技术，研究原子分子层次的纳米结构材料的物理、化学性质，以及光电转换过程的微观物理化学机制、输运性质；针对能量存储纳米结构材料，主要采用完全的量子分子动力学方法，研究电极材料的电子结构和表界面微纳结构，在此基础上研究锂离子脱嵌动态过程和机理及表界面上的离子扩散过程。最后，结合分子动力学和模型势等方法，模拟宏观层次的器件特性。（2）能量转换储能材料的设计和可控制备在深入了解先进能源器件的工作原理和对功能纳米材料的结构特性、电子特性、光电特性以及表界面特性深入研究基础上，重点对几类典型能量转换和储能纳米材料进行研究，包括TiO2，ZnO等半导体功能纳米材料
8、，碳纳米管、石墨烯、富勒烯、石墨炔等全碳纳米材料，CdS、CdSe等量子点材料等。这些材料广泛应用于多种能源器件中，对于它们的研究具有特别重要的意义。研究中采用理论和实验相结合的策略，一方面利用量子力学第一性原理计算与分子动力学方法研究这些功能纳米结构材料的结构、电子和光学特性，探讨其尺寸效应和量子效应对其性能的影响，研究模拟其生长动力学；另一方面在实验中总结其生长规律，找出纳米结构影响材料性能和生长过程的关键因素，并在此基础上提出结构和性质的改进方案。通过理论和实验相结合设计新型的纳米结构基元。（3）能源器件中纳米材料表界面的原位、实时表征原理及方法 能源器件中引入功能纳米材料主要是由于纳米
9、材料的小尺寸、大比表面积以及由此带来的量子效应和纳米效应。研究表明，纳米材料在表界面处的结构、特性以及动态变化是决定纳米能源器件性能的根本，所以我们在研究中以能源器件内纳米材料表界面为切入点，发展多种表界面原位、实时表征原理和方法。包括建立电化学原位扫描探针（AFM、STM）方法，在纳米尺度上研究光、电化学能量储存和转换体系的表、界面形貌和结构，结合探针辅助的电化学阻抗测量技术原位研究能量储存和转换中的传质、传荷和催化过程；发展和建立新型扫描电化学显微术（SECM）光纤电极，原位构建量子点光伏体系，研究半导体电极与氧化还原电对的电荷复合及其影响因素；发展基于等离子增强电化学原位拉曼光谱方法，建
10、立基于核壳纳米粒子增强拉曼光谱（SHINERS）和微电极针尖增强拉曼谱（SECM-TERS）技术，原位研究染料分子等离子激元增强光吸收效率及半导体染料分子界面的相互作用；发展原位XRD与吸收谱技术，研究能量转换与储存过程中电子结构与晶体结构演变规律；发展球差校正高分辨透射电镜技术，实现对于纳米材料表界面的原子级结构分辨。（4）探索影响储能纳米结构动力学稳定性的关键因素从热力学角度看，锂电池的理论能量密度与正负极材料储存电荷的容量及其电化学势差(电压)有关。提高电池的能量密度有赖于高容量与高电压电极材料以及与之兼容的电解质材料的开发。在许多情况下，尽管许多电池材料体系具有较高的理论能量密度，但它
11、们却由于动力学原因而没有电化学活性。纳米材料的优势是在保持相关材料热力学优势的同时，使电极材料的动力学性能得以提高。但是，纳米材料在应用中遇到的最大困难是表界面稳定性问题，这是纳米材料具有的表面能、界面能、缺陷形成能的热力学体现。在储锂过程中，纳米材料易于团聚，表面易于发生副反应。这一方面导致纳米电极材料的循环性、充放电效率大大降低，同时由于表面形成的不良电子、离子导电相发生团聚，纳米材料的动力学优势往往不能显现出来。为了解决这一问题，我们首先通过热力学计算选择具有高容量、低电压的材料体系，然后设计合成具有特定微观结构的纳米材料并组装器件，综合循环伏安、交流阻抗、电位驰豫、恒电流间歇滴定技术、
12、电位阶跃等方法，研究和确定材料与界面的动力学速率控制步骤。研究在电池长期循环过程中，电极材料的结构演变对器件动力学和稳定性的影响。（5）光伏器件中表界面能级的匹配及界面电荷分离性能的优化 量子点电池中包含有纳晶多孔电极/半导体量子点，纳晶多孔电极/电解质，半导体量子点/电解质，纳米电催化剂/ 电解质等四个界面，正是它们决定了电子注入效率、复合速度以及填充因子，进而决定了器件性能。为了同时满足量子点的高吸光效率与激子的高注入效率的要求，量子点负载的基底一般不是单晶平板结构，而是具有大比表面的纳米结构。在负载足够数量量子点以保证其高吸光效率的同时，应使每个量子点都能与载体形成良好的异质结结构，由此
13、实现快速的电荷分离和输运。因此，为实现高性能量子点光伏器件，在研究中需要通过组分及尺寸的调控获得吸光系数大、光谱吸收范围宽、能级匹配好、性能和结构稳定的纳米半导体量子点材料；通过协同自组装和模板法等技术制备结构有序的纳晶多孔电极以提高纳米材料中传输速度和传输长度；通过掺杂、结晶性能、表面状态、及表面修饰减少纳米结构半导体材料界面电子的复合影响等。二、预期目标总体目标：通过对纳米结构材料在先进能源器件应用过程中的表界面关键科学问题开展研究，获得一批具有国际竞争力和重大应用价值的研究成果，使我国在量子点光伏器件和高能量密度二次锂电池材料体系及器件研究和应用总体水平进入国际先进行列，争取做出若干原创
14、性的工作，在国际能源器件研究领域占有一席之地。预计经过5年的研究，将量子点光伏器件的光电转化效率从目前的5 % 提升至10 % 以上，将二次锂电池的能量密度从目前的150-200瓦时/公斤提升至300瓦时/公斤以上，为清洁能源材料和技术领域的可持续发展及其成果转化提供新知识、新方法、新技术和新材料，形成具有自主知识产权的关键材料与器件，促进我国新能源产业未来的发展。在知识创新方面：发现新概念、新原理、建立新理论。主要在以下几个方面取得重要进展，做出在国际上有重要影响的工作：揭示表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系与调控原理；实现能量转换存储器件中纳米结构材料的可控制备；建立光电转换储能器件
15、制备和使用过程中的原位、实时表征原理及方法；揭示影响储能纳米结构动力学稳定性的关键因素；实现光伏器件中表界面能级的匹配及界面电荷分离性能的优化。预期5年发表200篇SCI收录的论文，其中高水平论文50篇以上，出版1-3部以上专著。通过本项目的执行，培养和造就一批高层次的研究人才，形成几个在相关领域中有国际影响的研究群体，为国家长期可持续发展提供能源保证。在方法创新方面：建立2种适合纳米材料表界面原位实时表征的方法；发展适合光电能源材料与器件的理论模拟方法；利用修饰表界面、构造特殊纳微复合结构的材料设计思想提高量子点光伏器件的光电转化效率和二次锂电池的能量密度。 在技术创新方面：发展纳米结构能源
16、材料的可控制备技术；发展功能界面材料的组装技术和复合技术；解决纳米结构能源材料的表界面稳定性问题。在材料创新方面：制备出对国民经济有潜在重要影响的、具有自主知识产权的6种以上新材料，申请30项发明专利；开发高效、低成本、无毒的光电转换电池材料；高容量微纳结构锂离子电池正、负极材料；具有保护机制的金属锂材料；表界面稳定的高容量纳米结构硫复合正极材料等。在优秀人才培养方面：培养一批包括若干名国家杰出青年基金获得者的高层次研究人才，形成在国内外有重要影响的能源材料与器件的研究基地。三、研究方案、总体研究思路及技术路线本项目针对我国未来能源产业发展具有重大影响的光电化学能源器件（产能和储能）中的共性表界面关键问题，主要研究在上述两个应用方向上的纳米结构电极材料表界面的动力学与界面稳定性问题，系统研究这些纳米电极材料中的纳米效应和新的产能/储能机制。借助
