Ein wesentlicher Vorteil der Nanostrukturierung und Nanostrukturierung auf der Basis von kolloidalen Templaten aus anodischem Aluminiumoxid (AAO) und Polystyrol (PS) besteht darin, großflächige Nanostruktur-Arrays mit hoch kontrollierbarer Größe und Abstand sowie vordefinierter räumlicher Ausrichtung zu erhalten (Prog. Mater. Sci. 2007, 52, 465; Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 1247). Unter Verwendung von AAO- und PS-Templates als Masken oder Skelette wurden viele funktionelle Nanostrukturen und Oberflächen-Nanomuster mit Bausteinen in verschiedenen Dimensionen wie 0D (Nanopunkte, Nanoringe, Nanoböbel), 1D (Nanostäbe, Nanoröhren), 2D ( Nanoblätter, Nanowände) und 3D (hierarchische Strukturen, inverser Opal) in unserer Gruppe hergestellt. Die Strukturgröße dieser Nanostrukturen, die durch die AAO- und PS-Matrizen hergestellt wurden, können innerhalb von etwa 10 nm - 1 μm bzw. 50 nm - 5 μm eingestellt werden, wobei ein breiter Größenbereich von einigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern abgedeckt wird. Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften (hohe Regelmäßigkeit, hohe strukturelle Steuerbarkeit, kostengünstige Prozesse) sind diese templatgesteuerten Nanostrukturen wünschenswerte Kandidatenstrukturen für den Bau von Hochleistungsbauelementen (Adv. Energy Mater. 2020, im Druck, 2001537; Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2001460; Nano Today 2018, 20, 33; Nano Energy 2015, 13, 790; Small 2015, 11, 3408).

Ausgehend von einer charakteristischen AAO-Vorlage mit binären Poren, die zwei unterschiedliche Porensätze in einer Matrix enthält, hat unsere Gruppe kürzlich ein brandneues Konzept zur Realisierung von großflächigen Arrays binärer Nanostrukturen mit maßgeschneiderter Größe und flexibler Form vorgeschlagen (Nature Nanotechnology 2017, 12, 244). Verschiedene Komponenten können zu binären Nanostrukturen (Draht / Draht, Draht / Rohr, Rohr / Rohr & Punkt / Punkt) mit einer gewünschten Materialauswahl für jede Komponente aufgebaut werden. In Anbetracht der unterschiedlichen Kombinationen von Dimensionen, Materialien und Morphologien von Bauteilen soll die binäre Nanostrukturierung ein hervorragendes Modell sein, um einzigartige Eigenschaften für verschiedene Anwendungen zu erzielen. Dieses binäre Strukturierungskonzept wurde demonstriert, um die Geräteleistung der plasmonischen Photokatalyse weitgehend zu verbessern (Nano Lett. 2018, 18, 4914).

Microbatteries (MBs) and microsupercapacitors (MSCs) are key power sources for IoT devices. Conventional MBs and MSCs with 2D thin-film electrodes can't meet the high energy, power, and lifespan demands of IoT devices. Using 2D thick-film electrodes can increase energy density but reduces power density and lifespan. However, 3D architecture electrodes can improve energy density, power density, and lifespan all at once. Many 3D architecture electrodes have been designed and tested for MBs and MSCs, showing significant performance improvements (Advanced Materials 2021, 33, 2103304).

Designable anodic aluminum oxide templates have been developed to achieve precise pore features in terms of in-plane and out-of-plane shape, size, spatial configuration, and pore combinations. The structural designability of these template pores arises from controlling unequal aluminum anodization rates at different voltages, guided by a systematic blueprint for pore diversification. Starting from these designable templates, a series of nanostructures with equal structural controllability to their template counterparts have been realized (Nature Communications 2022, 13, 2435).

Due to various challenging issues, especially limited stability, nano- and micro-structured (NMS) electrodes undergo fast electrochemical performance degradation. The emerging NMS scaffold design is a pivotal aspect of many electrodes as it endows them with both robustness and electrochemical performance enhancement. The design principle of 3D NMS scaffolds, which are complementary and useful to the main application mechanism, is to maintain or increase the EES capacity per unit of active material while minimizing the ratio of inactive components (Nano-Micro Letters 2024, 16, 1-44).