基于LDHs的高氧化度高稳定性γ-CoOOH纳米材料的合成及其在碱性二次电池中的作用机制研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    51604098
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    20.0万
  • 负责人：
    李晶
  • 依托单位：
    河南师范大学
  • 学科分类：
    E0410.冶金物理化学与冶金原理
  • 结题年份：
    2019
  • 批准年份：
    2016
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

In recent years, γ-cobalt oxyhydroxide (γ-CoOOH) as a new electrode material with excellent electric conductivity has been widely studied in nickel-based secondary batteries and attracted more attention. However, poor stability and low oxidation degree of γ-CoOOH are currently two major technical problems to be solved. Moreover, in order to expand the application of nickel-based secondary batteries, it is imperative to improve its high-temperature and high-rate performances. Based on the special properties of LDHs, such as anionic exchange ability and structure stability, this project provides design and synthesis of LDHs-based γ-CoOOH nanomaterials with high oxidation degree and high stability as a new type of cathode additive for nickel-based secondary batteries with excellent high-temperature and high-rate performances. The project will synthesize LDHs-based γ-CoOOH nanomaterials by intercalation assembly (cationic substitution and anion exchange) and chemical oxidation, and find out the main effects of micro-morphology and structure of nanomaterials on their formation and electrical properties. From optimized synthesis routes and conditions, a series of γ-CoOOH nanomaterials with excellent performances (including high oxidation degree, high stability, high electric conductivity and high oxygen over potential) will be obtained. Then, applied basic research of the γ-CoOOH as additives or coated layer of nickel hydroxide in the application of alkaline secondary battery will be carried out. The research results of this project would not only deepen the understanding of γ-CoOOH and promote the development and application of the γ-CoOOH nanomaterials， but also create the practical and theoretical foundation for the application of green nickel-based secondary batteries (especially for power batteries).
近年来，γ-羟基氧化钴（γ-CoOOH）作为一种具有优异导电性的新型电极材料，在碱性二次电池中的的研究倍受关注。其氧化度低和稳定性差是目前制约其发展的两大技术难题。同时，碱性二次电池的高温高倍率性能差的问题亟待解决。针对以上问题，本项目提出设计和合成基于LDHs结构的新型γ-CoOOH纳米材料用于提高碱性二次电池高温高倍率性能的新思路。该项目将利用LDHs的结构稳定性和化学组成的可控性，通过层板和插层阳阴离子的调控设计、氧化等途径合成该材料，找出控制和影响该材料结构和性能的关键因素，通过优化合成方法和条件，制备出具有高氧化度、高稳定性、高导电性、高析氧过电位的γ-CoOOH材料。然后，开展γ-CoOOH作为添加剂或氢氧化镍包覆层在碱性二次电池中的应用基础研究，探索其在电极反应中的作用机制。本项目不仅可以深化对γ-CoOOH的科学认识，而且为其在碱性二次电池中的应用建立扎实的理论和实验基础。

结项摘要

近年来，γ-羟基氧化钴（γ-CoOOH）作为一种具有优异导电性的新型电极材料，在碱性二次电池中的研究倍受关注。其氧化度低和稳定性差是目前制约其发展的两大技术难题。同时，碱性二次电池的高温高倍率性能差的问题亟待解决。经过课题组三年的努力顺利完成了申请书中的主要研究内容。(1) 探索了Co/Al-LDHs 前躯体的合成方法。研究发现，钙离子和稀土阳离子的掺杂可以明显改善Co/Al-LDHs的析氧电位，提高其高温充放电性能，尤其是高温充电效率得到了极大改善。不同层间阴离子对Co/Al-LDHs的结构稳定性和电化学活性有着极其重要的影响。随着层间阴离子半径变化，Co/Al-LDHs的层间距发生变化，结晶度发生变化。研究表明，阴离子交换能力和阴离子半径的大小对Co/Al-LDHs的电化学活性有着重要影响。钨酸根的掺杂可以有效改善前躯体的稳定性，但对于其电化学活性有不良影响。（2）探索了Co/Al-LDHs氧化方法对羟基氧化钴材料结构和性能的影响。研究发现，液相氧化法较固相氧化效率更高，产品的结晶度和氧化度更高。而电解氧化法更有利于羟基氧化钴中钴的价态的提高。（3）开展以Co/Al-LDHs 复合材料作为添加剂或氢氧化镍包覆层在碱性二次电池中的应用及作用机理研究。研究发现，Co/Al-LDHs纳米片包覆的球形氢氧化镍经过充电后可以在球镍表面形成以γ-CoOOH和β-CoOOH混合构成的包覆层，极大的提高正极的电性能。Co/Al-LDHs/rGO复合材料作为添加剂使用时，可以有效改善镍正极的电性能。相对于传统的氧化亚钴添加剂，采Co/Al-LDHs/rGO做电极添加剂不仅有利于钴元素在电极中的均匀分布，而且可以高效地改善电极的循环稳定性，并进一步降低成本。考虑到国内外的研究和发展现状，增加了了Co/Al-OOH纳米片作电化学传感器材料的应用探索的研究。在本项目资助下，在国外重要学术期刊上Journal of Power Sources，ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Electrochimica Acta等杂志共发表SCI学术论文11篇，获授权中国发明专利5项，受理发明专利3项，培养毕业4名硕士研究生，达到了本项目的预期目标。

项目成果

期刊论文数量（11）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（8）
ZnAl-layered double hydroxide nanosheets-coated ZnO@C microspheres with improved cycling performance as advanced anode materials for zinc-based rechargeable batteries
ZnAl层状双氢氧化物纳米片涂覆的ZnO@C微球作为锌基可充电电池的先进负极材料具有改善的循环性能
  • DOI：
    10.1016/j.jpowsour.2019.03.030
  • 发表时间：
    2019-05
  • 期刊：
    Journal of Power Sources
  • 影响因子：
    9.2
  • 作者：
    Shangguan Enbo;Fu Peiying;Ning Sashuang;Wu Chengke;Li Jing;Cai Xiaowu;Wang Zhenhui;Wang Mingyu;Li Xiaoguang;Li Quanmin
  • 通讯作者：
    Li Quanmin
Novel application of CoAl-layered double hydroxide/reduced graphene oxide nanocomposite as a highly efficient cathode additive for nickel-based secondary batteries
CoAl层状双氢氧化物/还原氧化石墨烯纳米复合材料作为镍基二次电池高效正极添加剂的新应用
  • DOI：
    10.1016/j.electacta.2019.135242
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Electrochimica Acta
  • 影响因子：
    6.6
  • 作者：
    Li Jing;Zhang Huijie;Wu Chengke;Cai Xiaowu;Wang Mingyu;Li Liangsheng;Li Quanmin;Chang Zhaorong;Shangguan Enbo
  • 通讯作者：
    Shangguan Enbo
Synthesis of novel spherical Fe3O4@Ni3S2 composite as improved anode material for rechargeable nickel-iron batteries
新型球形 Fe3O4@Ni3S2 复合材料的合成作为改进的可充电镍铁电池负极材料
  • DOI：
    10.1016/j.electacta.2017.04.104
  • 发表时间：
    2017-06-20
  • 期刊：
    ELECTROCHIMICA ACTA
  • 影响因子：
    6.6
  • 作者：
    Li, Jing;Guo, Litan;Li, Quanmin
  • 通讯作者：
    Li, Quanmin
CoAl-layered double hydroxide nanosheets-coated spherical nickel hydroxide cathode materials with enhanced high-rate and cycling performance for alkaline nickel-based secondary batteries
CoAl层状双氢氧化物纳米片包覆球形氢氧化镍正极材料，提高碱性镍基二次电池的高倍率和循环性能
  • DOI：
    10.1016/j.electacta.2019.135198
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Electrochimica Acta
  • 影响因子：
    6.6
  • 作者：
    Shangguan Enbo;Zhang Huijie;Wu Chengke;Cai Xiaowu;Wang Zhenhui;Wang Mingyu;Li Liangsheng;Wang Gongke;Li Quanmin;Li Jing
  • 通讯作者：
    Li Jing
Enhancing the rate and cycling performance of spherical ZnO anode material for advanced zinc-nickel secondary batteries by combined in-situ doping and coating with carbon
通过原位掺杂和碳涂层相结合提高先进锌镍二次电池球形ZnO负极材料的倍率和循环性能
  • DOI：
    10.1016/j.electacta.2017.03.164
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    Electrochimica Acta
  • 影响因子：
    6.6
  • 作者：
    Li Jing;Zhao Tonghui;Shangguan Enbo;Li Yao;Li Linqian;Wang Dong;Wang Mingyu;Chang Zhaorong;Li Quanmin
  • 通讯作者：
    Li Quanmin

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  • DOI：
    10.19540/j.cnki.cjcmm.20180903.001
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    中国中药杂志
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    李晶;吴东雪;候宁;刘敏;张燕玲;乔延江
  • 通讯作者：
    乔延江
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  • DOI：
    10.16190/j.cnki.45-1211/r.2016.02.005
  • 发表时间：
    2016
  • 期刊：
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  • 作者：
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    李晶
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  • DOI：
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  • 期刊：
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  • 作者：
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  • DOI：
    10.13466/j.cnki.lyzygl.2018.02.005
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    10.13364/j.issn.1672-6510.20150098
  • 发表时间：
    2016
  • 期刊：
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  • 作者：
    邓天龙;李晶;李珑;张思思;郭亚飞
  • 通讯作者：
    郭亚飞

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
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技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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