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        教育部重點實驗室年度報告(2016年1月—— 2016年12月)2018年9月11日
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        國際材料科學領域基礎研究的最新成果-無機非金屬材料

        發布時間:2012-06-07    瀏覽次數:1407

        (1)中科院研制成功一種具有高能量/高功率電化學儲能密度的新型多孔炭材料
        中科院先進炭材料研究部成會明研究員、李峰副研究員和博士研究生王大偉等與澳大利亞昆士蘭大學逯高清教授合作,在國家自然科學基金委的支持下,設計并制備出一種局域石墨化三維層次多孔結構的新型多孔炭材料(Hierarchical Porous Graphitic Carbon, HPGC)。該材料在高倍率條件下同時具有很高的能量密度和功率密度,可用作超級電容器的電極材料,相關論文在Angewandte Chemie International Edition(47,373-376,2008)上發表。
        開發在高倍率條件下具有高能量/高功率密度的多孔炭材料是能源用炭材料領域的主導研究方向之一?;谠擃惒牧系膬δ芷骷夒娙萜?,與混合動力汽車和電動汽車的發展密切相關。然而,目前報道的多孔炭材料的能量密度和功率密度在高倍率條件下通常迅速衰減,很難滿足電動汽車等對超級電容器高能量/高功率密度的迫切需求。
        該研究組研究了在多孔炭電極中發生的基本電化學過程(J. Phys. Chem. B 2006, 110, 8570-8575),發現多孔電極的電荷存儲能力由多孔結構的離子傳輸性能(受孔的尺寸、形狀及取向等因素影響)、多孔炭的電子導電性以及電解液性質和電解液與炭材料之間的物理化學相互作用等因素所決定。據此他們提出將不同尺度孔(大孔-中孔-微孔)以三維網絡形式組裝,同時盡可能獲得局域石墨片層結構的電極材料設計思想。其設計原理是:局域石墨化三維層次多孔結構(HPGC結構)可充分利用大孔結構作為準體相的電解液儲存池以縮短離子擴散距離,中孔結構提供快速的離子輸運通道,大孔-中孔協同作用可實現電解液離子在多孔炭電極中的準體相快速擴散行為;微孔的高靜電吸附容量賦予優異的電化學儲能活性;局域石墨片層則能夠提高材料本體的電子導電性。HPGC結構可有效增加離子可利用的電化學活性表面積和電化學活性,并顯著降低大電流導致的電位極化,從而獲得在高倍率條件下高能量/高功率密度的電化學能量存儲與轉換能力。
        HPGC結構的諸多特點,使其制備十分困難。為此科研人員提出了采用液相無機模板方法,制備出具有上述大孔-中孔-微孔三維層次孔結構和局域石墨片層結構的HPGC材料。實驗結果證明,HPGC材料比活性炭和有序介孔炭材料具有更加優異的高倍率電化學能量存儲與轉換能力。優異的高倍率儲能性能在水系和有機系電解液中均能實現,該性能超過美國提出的PNGV((the Partnership for a New Generation of Vehicle)功率指標。如果進一步提高電解液的工作電壓,在保持優于PNGV功率密度指標的同時,還可望實現更高的能量密度。這些結果表明局域石墨化三維層次多孔結構炭材料有望成為電動汽車超級電容器用優良的電極材料。
        此外,上述液相無機模板方法還是一種普適的多孔材料合成方法。通過調節模板材料的物理化學性質,能夠獲得具有不同結構和理化性質如帶磁性的層次孔炭材料及炭基復合材料,這些材料在磁性分離、催化等清潔能源與環境保護領域有著廣闊的應用前景。
        (2)新型除微生物凈水材料研究獲重要進展
        最近,我室尚建庫研究組與美國伊利諾大學合作研制出新型除微生物凈水材料。該材料在可見光或日光驅動下,生成大量氧化能力極強的氫氧自由基,迅速破壞細胞壁,殺死水中各種微生物,達到光化殺菌的目的。他們發現,微量氧化鈀納米離子的加入可以有效地控制半導體表面光電子的傳輸,不僅能大幅度提高光照下的殺微生物速度,也同時誘發催化記憶效應,致使光照熄滅長達20小時后,該材料仍具有明顯的殺微生物能力,實現黑暗無光條件下的光化殺菌。催化記憶效應的發現,打破了傳統光化殺菌技術受光照要求的根本約束,拓寬了光化殺菌技術的應用范圍,使利用自然光晝夜連續殺菌成為可能,有望大幅度降低凈水能耗。有關研究結果發表于2010年2月14日出版的材料化學雜志(Journal of Materials Chemistry)。黑暗無光條件下光化殺菌的實現,在國際上引起了很大的反響,吸引了70多家國際科技新聞組織報道。
        (3)我國在石墨烯研究方面取得系列進展
        石墨烯(graphene)是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料,是構建其它維度碳質材料(如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨)的基本單元。石墨烯具有優異的電學、熱學和力學性能,可望在高性能納電子器件、復合材料、場發射材料、氣體傳感器及能量存儲等領域獲得廣泛應用。由于其獨特的二維結構和優異的晶體學質量,石墨烯蘊含了豐富而新奇的物理現象,為量子電動力學現象的研究提供了理想的平臺,具有重要的理論研究價值。因此,石墨烯迅速成為材料科學和凝聚態物理領域近年來的研究熱點。最近中科院先進炭材料研究部成會明、任文才帶領研究生在石墨烯的控制制備、結構表征與物性的研究方面取得了一系列新的進展,主要包括:(1)可控制備出高質量石墨烯,采用氫電弧方法制備。較普通快速加熱方法,采用氫電弧方法制備的石墨烯的抗氧化溫度提高了近100°C,導電率提高了近2個數量級,可達2×103S/cm(ACS Nano 3 (2009) 411-417)。(2)提出了表征石墨烯結構的新方法,他們在反射率計算的基礎上,引入色度學空間概念,提出了快速、準確、無損表征石墨烯層數的總色差方法,解釋了只有在特定基底上石墨烯可見的原因,并利用該方法對基底和光源進行了優化,提出并實驗證實了更利于石墨烯光學表征的基底和光源,提高了光學表征的精度,為石墨烯層數的快速準確表征、控制制備及物性研究奠定了基礎。(3)開展了石墨烯的應用探索。研究表明,石墨烯薄膜具有與碳納米管薄膜相比擬的場發射特性:低的開啟電場和閾值、良好的場發射穩定性和均勻性,展示了石墨烯在平板顯示等方面的應用前景。他們還結合石墨烯紙易于制備且具有良好力學性能的特點,正全力拓展其應用空間。
        (4)一種用于制備織構型陶瓷的鈮酸鹽模板材料及制備方法
        該材料化學式為NaNbO3,具有規則的片狀結構形貌,在(001)晶面族方向擇優生長。其制法是:以純凈Bi2.5Na3.5Nb5O18和純度大于99%的Na2CO3為原料,按Bi2.5Na3.5Nb5O18∶Na2CO3=1∶1.0~2.0化學比配料;攪拌6~12小時后,加入助熔劑NaCl或KCl或NaF或KF或其中任意兩種或三種的組合,助熔劑與原料總質量比為0.5~2.0∶1,然后再混合攪拌6~12小時,混合攪拌介質為無水乙醇;二次攪拌后的物料在70℃~80℃下空氣中干燥;在900℃~1150℃下熱處理3~8小時,再用熱去離子水反復洗滌到檢測不到氯離子;將清洗了的粉料分離后,經過干燥即得用作模板晶粒生長法和反應模板晶粒生長法制備織構陶瓷的鈮酸鹽模板材料。專利申請號為:200510018420.3。
        (5)儲能介質陶瓷及其制備方法
        該陶瓷化學組成是SrO-Bi2O3-TiO2,其摩爾比例為:1∶x∶y,其中x=0.02~0.15,y=1.02~1.12,并摻雜有純度大于99%的摻有ZnO、MgO和ZrO2。其制備方法為:以純度大于99%的SrCO3、Bi2O3和TiO2為起始原料,SrO∶Bi2O3∶TiO2=1∶x∶y化學比配料,其中x=0.02~0.15,y=1.02~1.12,在球磨機中加入去離子水研磨11-13小時后烘干,在800~1200℃保溫3-5小時預燒;再加入純度大于99%的ZnO、MgO和ZrO2,在球磨機中加入去離子水中研磨混合,空氣氣氛下烘干;烘干后的物料加入濃度為0.5~2.0wt%的聚乙烯醇水溶液造粒,壓制成型,燒結,制得儲能介質陶瓷。獲得的儲能介質陶瓷具有高介電常數、低損耗、較高擊穿強度。專利申請號為200410061202.3。

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