纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究word资料17页
仿生智能纳米界面材料研究资料
仿生智能纳米界面材料研究资料仿生智能纳米界面材料是一种结合仿生学与纳米科技的前沿研究领域，旨在开发具有类似生物界面的智能材料，能够模拟生物界面的高度自适应性、敏感性和可控性。
这种材料可以广泛应用于生物医学、电子器件、能源储存等领域，具有巨大的商业潜力。
下面将介绍仿生智能纳米界面材料的研究进展和应用前景。
1.研究进展仿生智能纳米界面材料的研究涉及多个方面，包括材料设计、合成方法和性能优化等。
一种常见的仿生智能纳米界面材料是基于聚合物的材料。
通过调控聚合物的结构和功能单元的组合以及纳米纤维的组装方式，可以制备出具有响应性和调控性能的纳米界面材料。
例如，可以通过改变聚合物的交联程度和含水量来实现材料的收缩和膨胀，并通过调节纳米纤维的排列方式和密度来改变材料的表面形态和力学性能。
另一类常见的仿生智能纳米界面材料是基于生物分子的材料。
例如，可以利用DNA、蛋白质等生物分子的特殊功能来实现材料的响应性和调控性能。
通过改变DNA的序列和结构，可以实现材料的自组装和分子识别等功能。
同时，利用蛋白质的结构和功能，可以制备出具有储能、传感和传导等特殊功能的智能材料。
2.应用前景仿生智能纳米界面材料具有广泛的应用前景。
在生物医学领域，这种材料可以用于制备仿生组织和器官，如人工皮肤和人工血管，用于替代病变或损伤的组织。
此外，还可以用于药物递送系统，通过材料的响应性和调控性能来实现药物的控制释放。
在电子器件领域，仿生智能纳米界面材料可以应用于传感器、电池和超级电容器等领域，用于提高电子器件的性能和可持续性。
在能源储存领域，这种材料可以用于储能装置，如超级电容器和锂离子电池，提高能量密度和循环寿命。
总的来说，仿生智能纳米界面材料是一种具有广泛应用潜力的前沿材料。
随着材料设计、合成方法和性能优化的不断发展，这种材料在生物医学、电子器件和能源储存等领域的应用前景将会更加广阔。
同时，对于仿生智能纳米界面材料的研究和应用也将推动纳米科技和生物技术的发展，促进科学研究和产业创新。
纳米材料在新能源领域的研究进展
纳米材料在新能源领域的研究进展随着环保意识的提高和全球能源危机的加剧，新能源技术的开发与应用越来越受到人们的重视。
纳米技术作为当今前沿领域之一，已经在新能源领域展现出了强大的应用潜力。
本文将对纳米材料在新能源领域的研究进展进行探讨。
一、纳米材料在太阳能电池中的应用太阳能电池是目前应用最为广泛的新能源设备之一。
纳米技术可以通过制备纳米粒子、纳米棒和膜的形式在太阳能电池中实现新能源的高效转换。
例如，通过在硅太阳能电池表面或内部引入纳米结构，可以增加其自吸收强度和提高载流子分离效率，大大提高太阳能电池的转换效率。
同时，已有研究表明，在天然染料敏化太阳能电池中，采用纳米结构材料作为电子传输路径会显著提高能量转换效率。
此外，还有人尝试使用纳米量子点作为太阳能电池中的光吸收剂，将太阳能转化成电流产生更高的效率。
二、纳米材料在燃料电池中的应用燃料电池是一种能够将燃料与氧气反应生成能量的设备，其比传统燃烧产生更加清洁的能源，具有广泛的应用前景。
纳米技术可以提高燃料电池催化剂的活性，降低反应温度和提高催化剂的稳定性。
例如，通过制备高分散、高表面积的纳米复合催化剂，可以提高燃料电池的功率密度和催化剂的使用寿命。
此外，在固态氧化物燃料电池中，通过在氧化物电解质膜表面制备纳米枝状结构，能够显著提高电池的性能和长期稳定性。
三、纳米材料在锂离子电池中的应用锂离子电池是现代电子设备中广泛使用的一种电池，其能够以高比能量、高比功率和长寿命的方式存储和释放电能。
纳米技术在锂离子电池中的应用主要涉及锂离子电池正极材料和负极材料的制备。
例如，采用纳米碳管、纳米金属氧化物和纳米结构的锂离子电池正极材料，能够提高电池的能量密度和功率密度。
此外，在锂离子电池负极材料方面，纳米技术能够有效地提高其容量和增加其循环寿命。
四、纳米材料在光催化水分解中的应用光催化水分解技术是利用太阳能光照与催化剂共同作用将水分解为氢气和氧气的技术。
纳米技术能够提高催化剂的光催化活性和稳定性，增强其吸收光子和促进光生电荷的分离与传输。
新型纳米能源储存器件的研究与应用
新型纳米能源储存器件的研究与应用随着社会的进步和科技的发展，能源储存器件的需求也越来越大。
在新型能源储存器件中，纳米储存器件是目前发展最快的一种。
纳米储存器件采用纳米材料作为储能介质，能够实现更高的能量密度和更快的充电速度，具有广泛的应用前景。
一、纳米能源储存器件的定义和分类纳米能源储存器件是指储能介质使用纳米级材料，在纳米级空间内实现储能和释能的能源储存器件。
纳米储存器件可分为化学储能器件和电容储能器件两类。
化学储能器件包括锂离子电池、钠离子电池、超级电容器等。
电容储能器件包括普通电容器、石墨烯超级电容器等。
二、纳米能源储存器件的优势与传统能源储存器件相比，纳米能源储存器件具有以下优势：1. 高能量密度：纳米能源储存器件采用纳米材料作为储能介质，能够实现更高的能量密度，使电池的续航能力更长。
2. 快速充放电：纳米能源储存器件的电池内部的离子传输路径更短，能够实现更快的充电和放电。
3. 长寿命：纳米材料的小尺寸和强化表面积，使得电池内部的离子传输更加均匀，减少了电池的自放电和损耗，延长了电池的使用寿命。
三、纳米能源储存器件的研究进展目前，纳米能源储存器件的研究进展已经取得了许多重要的进展。
近年来，许多科学家已经在开发新型的纳米储存器件材料，如石墨烯、二氧化钛等，以提高电池效率和电池寿命。
此外，科学家正在研究新的纳米能源储存器件结构，如纳米管、纳米线、纳米盘等，以实现更高的储能密度和更快的充电速度。
四、纳米能源储存器件的应用随着纳米能源储存器件技术的不断发展，其应用也越来越广泛。
目前，纳米能源储存器件已广泛应用于电子设备、电动汽车、太阳能、风能、水力等领域。
在未来，纳米储存器件有望成为实现清洁能源转换和能源储存的关键技术。
五、纳米能源储存器件面临的挑战和展望纳米能源储存器件的研究还面临着许多挑战。
首先，纳米储存器件材料和制备工艺需要进一步优化，以提高电池效率和电池寿命。
其次，纳米储存器件的成本较高，需要进一步降低成本才能实现大规模应用。
纳米技术在能源领域的应用
纳米技术在能源领域的应用随着全球能源需求的不断增长和对可持续能源的迫切需求，纳米技术作为一种前沿科技，正逐渐被应用于能源领域，在能源的存储、转化和利用等方面发挥着重要作用。
本文将从纳米材料的设计制备、太阳能电池、燃料电池以及储能技术等几个方面来介绍纳米技术在能源领域的应用。
一、纳米材料的设计制备纳米技术的核心是对材料的控制和调控，通过调控材料的尺寸、形貌和结构等特性，使得材料的性能得以优化。
在能源领域，纳米材料的设计制备尤为重要。
例如，通过纳米尺度的控制，可将常规材料的光学、电学、磁学等性能进行改进，从而提高能源转化的效率。
此外，纳米材料还能够提供更大的表面积，增加反应界面，进一步促进能源相关反应的进行。
二、太阳能电池作为一种可再生能源，太阳能具有巨大的发展潜力。
纳米技术在太阳能电池领域的应用，可以提高太阳能电池的效率和稳定性。
一方面，纳米结构能够提供更大的光吸收界面，增加光电转化效率。
另一方面，纳米材料的导电特性以及可调控的带隙结构，可以提高电子传输效率和光电转化效率。
此外，纳米技术还可以提供更多的光反射、光散射和光散射界面，增强太阳能电池对光的吸收和利用。
三、燃料电池燃料电池作为一种高效清洁的能源转化设备，具有广阔的应用前景。
纳米技术在燃料电池领域的应用，可以优化燃料电池的催化性能和稳定性。
通过纳米技术的手段，可以制备出高活性和高选择性的催化剂，提高燃料电池的电化学反应速率。
同时，纳米材料的高比表面积也有利于增强催化反应的反应界面，提高催化活性。
此外，纳米材料还能够提供良好的电子和离子传输通道，改善燃料电池的传输性能。
四、储能技术能源储存是实现可持续能源系统的关键。
纳米技术在储能技术领域的应用，可以提高储能材料的储能密度和循环稳定性。
通过纳米技术的手段，可以制备出具有超高比表面积的储能材料，增加储能容量。
同时，纳米材料还能够提供更多的电子迁移通道，提高电池的充放电速率和储能效率。
此外，通过纳米尺度的控制，还可以改善储能材料的循环稳定性，延长储能装置的使用寿命。
纳米材料在能源存储中的应用
纳米材料在能源存储中的应用1. 引言纳米材料是一种材料在尺寸上小于100纳米的材料，其具有一系列的优异性能，如高比表面积、优异的光电特性、高强度、较高的熔点和玻璃化转变等，这些特性使其具有广泛的应用前景。
在新能源存储领域，纳米材料可以用来制备新型电池电极、电解液、催化剂，以及用于能量转化器件、能源储存器件等领域。
本文将重点介绍纳米材料在新型电池电极制备和电解液等方面的应用。
2. 纳米材料在电池电极中的应用电池电极由两个电极板和一种电解质组成，其中电池的性能主要取决于电极材料的性质。
在现代电池中，多种纳米材料广泛应用于电极材料的制备。
这些材料具有高比表面积和储能密度、优化的催化性能、较短的扩散距离和优异的电荷传递能力。
下面将分别介绍锂离子电池和钠离子电池中纳米材料的应用。
2.1 锂离子电池的石墨烯纳米片石墨烯由一层碳原子构成的片状结构，由于其优异的电导性、高比表面积、优异的导电性和优异的化学稳定性等特性，成为锂离子电池中的最佳电极材料之一。
石墨烯纳米片具有聚集素材的优点，增加了电极的比表面积，提高了锂离子电池的储能密度。
2.2 钠离子电池中的金属氧化物纳米结构钠离子电池是一种新型电池，在过去几年中逐渐得到了普及。
然而，由于钠离子比锂离子的直径较大，因此在电极过程中扩散难度较大，为了提高钠离子电池的容量和效率，需要使用复杂结构和功能性材料。
金属氧化物是一种非常适合用作钠离子电池电极材料的材料，因为金属氧化物具有高容量、优异的催化剂特性和良好的电导性。
通过将金属氧化物转化为其纳米结构，可以进一步提高其电化学性能。
3. 纳米材料在电解液中的应用电解液是电池的重要组成部分，主要用于传播和导电。
纳米材料的优秀性质，例如高比表面积、优异的导电性和优异的催化性能，可以进一步改善电池的电化学性能和热稳定性。
因此，不同种类的纳米材料被广泛应用于电解液的制备和调整中。
3.1 纳米液态电解质液体电解质是电池中主要的传导介质。
纳米材料与能源科学
纳米材料在能源科学中的未来研究方向
高效能纳米材料：提高能源转换效率和稳定性 纳米材料在储能领域的应用：提高储能密度和循环寿命 纳米材料在燃料电池中的应用：优化燃料电池性能和降低成本 纳米材料在太阳能电池中的应用：提高光电转换效率和稳定性
05
纳米材料的安全性与环境影响
纳米材料的安全性评估
安全性评估的必要性：确保纳米材料在生产和使用过程中的安全性 评估方法：通过毒理学实验、生物学效应研究等手段进行评估 评估内容：包括纳米材料的生物相容性、细胞毒性、免疫反应等方面的研究 评估标准：制定相应的安全标准，确保纳米材料的安全使用
医疗领域：药物 传输、生物成像 等
电子领域：微型 化电子器件、高 效散热材料等
03
纳米材料在能源科学中的应用
纳米材料在太阳能电池中的应用
添加标题
简介：纳米材料在太阳能电池中具有优异的光吸收和光转换性能，能够提高太阳能电池的光电 转换效率。
添加标题
应用领域：纳米材料在太阳能电池领域的应用主要包括染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电 池和钙钛矿太阳能电池等。
纳米材料在建筑节能中的应用：利用纳米涂层、纳米隔热材料等降低建筑能耗，提高建 筑能效。
04
纳米材料在能源科学中的挑战与前景
纳米材料在能源科学中面临的挑战
稳定性问题：纳米材料在能源应用中的稳 定性问题是亟待解决的关键问题之一。
生产成本高：目前纳米材料生产成本较高， 限制了其在能源领域的大规模应用。
燃料电池工作原理 纳米材料在燃料电池中的优势 纳米材料在燃料电池中的实际应用案例 未来发展前景与挑战
纳米材料在储能电池中的应用
纳米材料在节能减排中的应用
纳米材料在太阳能电池中的应用：提高光电转换效率，降低能源损失。
能源材料中的界面研究及其应用
能源材料中的界面研究及其应用随着现代工业的发展和全球能源需求的不断增大，能源材料的研究和应用越来越受到重视。
而在能源材料中，界面现象的研究尤为重要。
因为界面对于材料的性能和使用寿命有着至关重要的影响。
近年来，随着纳米技术和表面科学的发展，人们对于能源材料中的界面现象以及其应用有了更深刻的研究和理解。
一、能源材料中的界面现象1. 界面现象的定义界面是指两相之间接触的面，这两相可以是不同的材料或者同种材料的不同形态。
而当这两相接触时，会出现很多物理和化学现象，这些现象即是界面现象。
在能源材料中，典型的界面包括电极电解质界面、半导体电极界面、氧化物界面等。
2. 界面现象对能源材料性能的影响界面现象的发生会导致一系列的内部反应和能量转移，直接影响着材料的性能。
例如，电极电解质界面在锂离子电池中起着至关重要的作用。
如果界面电化学反应不完全、电极表面的结构不稳定或者电解质附着度不足，都会影响电池的循环性能和容量保持。
此外，材料内部和外部界面之间的相互作用也会对材料的性能产生影响。
例如，太阳能电池中的主动层材料、半导体纳米颗粒中光致电子传输和发光等等。
这些都需要研究人员深入研究并精确控制材料中的界面现象。
二、界面研究的方法和技术为了深入研究能源材料中的界面现象并精确控制其性能，要采用一系列的界面研究方法和技术。
目前，常用的界面研究方法和技术包括以下几种：1. X射线光电子能谱（XPS）XPS可以分析材料表面或界面的组成及其化学键的形成、断裂。
这种技术是利用光电效应从材料的表面获取元素信号，并对材料的原子、分子和杂质进行表征，如材料表面原子的类型和电荷状态等。
2. 透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜能够分析材料中各种晶体结构、位错和晶格缺陷，特别是对于纳米材料的表征更加适用。
此外，该技术还能够提供局部化学和元素分析等信息，有助于深入了解材料中的界面现象。
3. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）FTIR又称红外光谱分析技术，能够检测分子和材料之间的相互作用、结构、性质等信息。
纳米结构材料
纳米结构材料纳米结构材料是一种具有特殊结构和性能的新型材料，其尺寸通常在1-100纳米之间。
纳米结构材料具有非常大的比表面积，较短的扩散距离和较高的界面活性，使其具有许多独特的物理、化学和力学性质。
这些独特性质使纳米结构材料在许多领域有着广泛的应用。
首先，纳米结构材料在能源领域有着重要的应用。
由于其较大的比表面积和较高的界面活性，纳米结构材料可以作为高效的催化剂，用于水分解、电池、燃料电池和光催化等能源转换和存储装置。
此外，纳米结构材料还可用于制备高性能的锂离子电池和超级电容器，以提高电池的充放电速率和循环寿命。
其次，纳米结构材料在材料科学和工程领域中也有着广泛的应用。
通过调控纳米结构材料的形貌、晶相和尺寸等参数，可以调整材料的力学、磁学、光学和电学性质，以适应不同的功能性需求。
例如，纳米粒子可以用于制备高强度、低密度的结构材料，如纳米复合材料和纳米发泡材料。
另外，纳米结构材料还可用于制备高效光电器件、柔性电子器件、传感器和纳米机器等。
此外，纳米结构材料在生物医学领域中也有着重要的应用。
由于其较小的尺寸和较大的比表面积，纳米结构材料可以通过血液和细胞膜进入细胞内部，从而用于药物传递、基因治疗和肿瘤治疗等领域。
例如，纳米粒子可以用于制备纳米药物载体，通过控制药物的释放速率和靶向性，增强治疗效果并减少副作用。
此外，纳米结构材料还可用于制备生物传感器、成像剂和人工组织等。
然而，纳米结构材料的制备和应用也面临着一些挑战和问题。
首先，纳米结构材料的制备过程通常较为复杂和昂贵，需要控制加工参数、合适的成品要求和多种先进的制备技术。
其次，纳米结构材料的安全性和环境影响也需要进一步研究和评估，以确保其在应用过程中不对人体和环境造成负面影响。
综上所述，纳米结构材料具有独特的结构和性能，广泛应用于能源、材料科学和工程以及生物医学等领域。
随着纳米技术的发展和应用的不断深入，纳米结构材料有望在各个领域中发挥更大的作用，并为人类社会的可持续发展做出贡献。
微纳结构和表界面特性对材料性能的影响研究
微纳结构和表界面特性对材料性能的影响研究随着科学技术的进步，人们对材料性能的研究日益深入。
微纳结构和表界面特性是影响材料性能的重要因素之一，也成为了近年来研究的热点。
微纳结构是指材料的尺寸在微米和纳米级别范围内的结构，包括晶界、孪晶、晶粒大小等。
微结构对材料机械、物理、化学、光学等性能的影响很大。
比如，随着晶粒尺寸的减小，材料的硬度、韧性、延展性都会增强，而其疲劳寿命则会增加。
对于材料的接触性能、润湿性、摩擦性能等实际应用而言，微纳结构的影响就更加显著。
研究发现，某些功能材料的性能，如金属润滑剂和晶体管等，就在于其微纳结构和微观的平衡相互关系。
表界面是材料与外部环境接触的最外层面，表面粗糙度、化学成分、质量等都会影响其性能。
表界面具有很多独特的物理、化学和结构特性，如可靠、疏水性等，这些特性可以通过各种方法得到精确的控制。
灵活地控制表界面可以进一步增强材料的性能，改善产品的工业品质，同时可以创造新的技术应用领域。
例如，利用表界面特性可以开发新型的纳米材料、有机材料和生物材料等，可以使这些材料具有更高的化学稳定性和机械性能。
对于材料性能的研究，微纳结构和表界面特性的研究是非常重要的。
优化微纳结构改变表界面特性可以提高材料的性能。
例如，一个新的技术被发明出来可以用于测量材料表面的原子结构。
这种技术可以直接测量晶体材料表面的原子间距和形状，以及接触面的化学成分和电子结构。
这对研究材料表界面的特性和性能具有重要的意义。
另外，通过使用计算机模拟，可以更加精确控制表界面和微纳结构。
可以在计算中考虑到各种化学和物理反应的影响，以及纳米量级的尺寸和材料特性。
计算机模拟对于理解微纳结构和表界面的特性以及材料性能的控制和改善具有重大意义。
综上所述，微纳结构和表界面特性对于材料性能研究非常重要。
它们的研究可以改善材料性能、提高产品质量，同时扩展新的应用领域。
通过不断深入的研究，人类将更好地理解微纳结构和表界面对材料性能的影响，为实际应用创造更多更好的新材料。
新型纳米材料在光电领域的应用研究
新型纳米材料在光电领域的应用研究第一章：引言随着科技的发展和进步，人们开始了解并探索新材料所带来的广泛应用前景，尤其是纳米材料。
纳米材料具有其天然的特性，如高比表面积、新型物理化学特性和多样化的应用。
基于这些原因，纳米材料正逐渐成为了材料科学研究和工业制造领域的前沿技术之一。
在纳米技术的快速发展中，新型纳米材料在光电领域的应用研究更是备受关注，本文的研究方向也将围绕这一方面展开。
第二章：光电器件的性能要求和应用光电器件的性能要求和应用包括光电转换效率、光电流和响应时间等。
在高性能集成电路和智能电子产品中将使用光电器件，这些产品的应用领域包括在自动驾驶和机器人等领域。
光电器件有多种类型，常见的有太阳能电池、固态激光器和夜视摄像头。
第三章：纳米材料在光电器件中的应用研究纳米材料在光电器件中的应用研究主要通过改变材料的性质，以提高光电器件的性能。
这些纳米材料包括半导体量子点、纳米线、纳米膜、纳米结构和纳米线阵列。
这些材料的特性包括高导电性、高透明性和较大的界面面积，因此在光电器件中得到广泛应用。
第四章：纳米材料在太阳能电池中的应用研究纳米材料在太阳能电池中的应用研究主要包括通过改变太阳能电池内纳米材料的形状、大小和结构来提高光电转换效率和光电流。
近年来，半导体量子点已成为太阳能电池的重要材料之一，其主要原因是半导体量子点比传统材料具有更高的能量转化效率，并且可以更好地匹配光谱带宽。
第五章：纳米材料在固态激光器中的应用研究固态激光器是一种废气净化、遥感、无损检测等领域应用广泛的光电设备。
纳米材料在固态激光器中的应用主要包括通过使光学效应变得更强而提高激光器的输出功率、效率和波长选取性。
纳米材料的这些功能可以通过控制盖板厚度、粗糙度、粒度和分散度等方面来实现。
第六章：结论总之，本文讨论了新型纳米材料在光电领域的应用研究。
特别是在太阳能电池和固态激光器中的应用研究，将纳米材料的物理/化学性质与光电器件的性能相结合，大大提高了光电器件的性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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：2019.1至2019.8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，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、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１、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SPM技术和表面增强拉曼光谱等技术，从分子/纳米尺度上研究载流子的存储和输运行为及电极/电解质界面特性。
通过实验与理论计算相结合的方法研究相关的表界面结构和特性。
在对能源器件中纳米材料的纳米效应、输运行为、界面特性等问题有清晰的理解和认识的基础上，有目的的进行电极材料纳米结构设计，通过各种化学和物理手段实现对纳米结构基元的组装调控，并结合表面修饰、有效复合与改性等手段提高电极材料的高倍率性能和稳定性，构筑“动力学稳定”的、能提供快速载流子通道的高功率、高容量纳微复合结构电极材料，构筑高光电转化效率的光伏器件和高能量密度的锂电池。
在理论模拟研究中，将主要采用量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材料结构和性质以及微观物理化学机制；结合分子动力学和模型势方法，研究宏观层次的材料和器件性质。
通过第一性原理计算和统计物理方法相结合，研究电极材料的热力学性质；采用完全的量子分子动力学方法研究电极材料、电解质以及表界面上的离子扩散过程；考虑包含了新交换关联泛函（如mgga）后对材料缺陷结构和物理性质计算结果的影响，选择最优交换关联泛函用于宽带隙半导体材料；使用含时密度泛函理论（TDDFT）研究染料敏化半导体系统中电子注入的动力学过程；采用多尺度方法拟合模型参数，研究更大尺度的器件相关问题。