快速的能源存储和水污染物去除是目前研究的两大核心,而其都与活性材料的离子扩散速率密不可分。多相反应的离子扩散可分为三个阶段:液相扩散、固-液界面扩散和固相扩散。受限于尺寸和传输方式,界面扩散和固相扩散通常是整个反应的速控项,特别是固相扩散,其需要依赖材料的晶体孔道,因此材料离子扩散路径的构筑十分重要。本课题即围绕此展开,通过调控纳米片组装材料的多级结构,首先利用介孔和开口空心纳米管提升纳米催化剂的固-液界面离子传输,而后利用相似结构增强微米级催化剂的界面离子传输,改善块体的传质效率。随后通过增加组装单元的扩散维度和改变组装结构为锂存储提供高效的固-液界面和固相离子扩散通道,最后利用超小尺寸纳米组装单元将负极材料的固相扩散转化为固-液界面扩散,增强材料扩散动力学。具体研究内容如下:1.开口中空硅酸锰纳米管的次级结构调控及其高效催化降解有机染料的研究:高效的固-液界面传质对催化剂至关重要。因此,利用自牺牲模板法构筑了次级结构可控的多级中空硅酸锰纳米管(MnSNTs),并系统研究其作为类芬顿型催化剂对染料的催化降解性能。MnSNTs的中空管状结构具有开口末端和介孔管壁,有效缩短了离子扩散路径,增大了固-液相接触面积,增强了界面处的传质。通过调控水热反应时间,MnSNTs展现出不同的次级结构。相比于大尺寸纳米片和纳米颗粒,大量展开的小纳米片赋予了 MnSNTs更高的比表面积和更大的孔容,因此暴露出更多的活性位点。MnSNTs对阳离子染料有高效的催化降解性能和优异的循环稳定性。其可在常温条件下在45 min内降解50 ppm亚甲基蓝(MB)。当温度升至60℃时,降解时间只需2 min。2.硅酸钴多级介孔结构的构筑及其高效催化降解有机污染物的研究:相比于纳米催化剂,大尺寸块状催化剂更有利于实际应用时的沉降和分离,然而较差的固-液相接触抑制了其催化性能。因此我们将介孔多级空心管状结构推广至微米级催化剂,在块状材料内创造了大量的固-液界面扩散通道。我们以箬竹叶为生物质硅源,制备了一系列硅酸盐,包括硅酸钴(CoSiOx)、硅酸铜、硅酸镍、硅酸铁和硅酸镁,并研究了其在硫酸根自由基高级氧化技术中的催化作用。其中,CoSiOx呈现了与叶子模板相似的三明治结构,不但具有微米尺度,还拥有大量孔道,增加了固-液相接触面积。更重要的是,CoSiOx中间层是由小纳米片组成的空心纳米管,为离子的扩散提供了路径,解决了大尺寸块状催化剂的传质问题。因此,CoSiOx表现出优异的催化性能,对MB和苯酚的降解速率常数分别达0.242 min-1 和 0.153 min-1。3.层状K2Mn4O8/还原氧化石墨烯纳米复合材料的制备及其高性能储锂和铅离子吸附的研究:介孔多级结构可有效改善固-液界面离子传输,但无法解决固相扩散问题。因此采用温和的溶液法制备了层状K2Mn4O8(KMO)纳米片,并将其原位锚定在还原氧化石墨烯(RGO)上,构筑了层状KMO/RGO纳米复合材料,用于铅离子吸附和锂离子电池。KMO纳米片层间距高达0.70 nm,为固相离子扩散提供了二维通道,增加了扩散维度,提升了传质效率。同时KMO纳米片在RGO上的均匀分布充分暴露了KMO的活性位点,进一步促进了离子在固-液界面的传输。此外RGO还可防止KMO团聚,抑制其体积膨胀,并增加材料导电性。因此,所制备的KMO/RGO具有优异的铅离子吸附能力,最大吸附量为341 mg g-1,高于纯 KMO(305 mg g-1)和 RGO(63 mg g-1)。更重要的是,KMO/RGO 还可高效储锂。在最优的RGO含量下,KMO/RGO的首圈充电容量可至739 mA h g-1,远高于纯KMO(326 mA h g-1)。循环100圈后,KMO/RGO的容量依然保持在664 mA h g-1。4.扩散动力学增强的转化型硅酸锰/还原氧化石墨烯负极用于高性能锂基双离子电池的研究:即使提升扩散维度,固相扩散依然比其它扩散艰难,因此降低扩散限制的理想方式之一是将固相扩散转化为固-液界面扩散。基于此,我们将超小尺寸硅酸锰(MS)纳米片均匀锚定在RGO上,制备了扩散动力学增强的MS/RGO(MSR)转化型负极,实现了高性能锂基双离子电池(LDIBs)的构筑。在锂化过程中原位均匀包覆在电极表面的Li4SiO4离子导体提升了 MSR的离子扩散系数。更重要的是,充分暴露的活性位点创造了赝电容,将扩散控制的体相反应部分转化成为表面反应,固相扩散大幅度变为固-液界面扩散,缩短了离子扩散路径,降低了扩散限制。最终,所组装的LDIB表现出优异的电化学性能,在0.5 C时放电容量可至191 mA hg-1,2C循环150圈后容量依旧保持在128 mAhg-1。