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科研进展共计 1,265 条信息

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1 我国学者在空气电池催化材料创制方面取得进展 2024-03-28

在国家自然科学基金项目(批准号:22088101)等资助下,复旦大学化学系赵东元-李伟课题组联合材料科学系王飞课题组在中性锌-空气电池单原子催化材料创制方面取得进展,他们揭示了两电子中性锌-空气电池催化材料的设计原则,构筑了新型可持续、低成本、高性能的电化学储能器件。研究成果以“可逆锌-空气电池的单原子催化两电子氧化还原化学(Two-electron redox chemistry via single-atom catalyst for reversible zinc–air batteries)”为题,于2024年2月26日在《自然?可持续性》(Nature Sustainability)上发表。论文链接:https://doi.org/10.1038/s41893-024-01300-2。   锌-空气电池具有能量密度高、成本低、安全性高的优点,被广泛认为是下一代储能系统的有力备选。与传统碱性锌-空气电池相比,新型两电子中性锌-空气电池具有锌负极利用率高、正极可逆性好、副反应少等优势。然而,中性锌-空气电池工况环境复杂,气-液-固三相反应在阴极上同时发生,不溶的绝缘固态放电产物(过氧化锌)会堵塞物质输送隧道并覆盖活性位点,并且在充放电过程中不断积累的产物通常会产生高的过电位,进一步造成器件性能的恶化。因此,亟需开发高效催化材料,从而助力高性能中性锌-空气电池的开发。   上述研究团队发展了一种连续合成的策略,制备了一种二维介孔的单原子催化材料。此材料集成了非对称的FeN2S2催化位点,可以高选择性地催化两电子氧还原反应。更重要的是,石墨化的多孔框架为氧吸附、电解质浸没和电子转移提供了理想的纳米反应器,并将固态放电产物(过氧化锌)的生长限制在纳米尺度(~6 nm),从而实现过氧化锌的可逆生成与溶解,提升循环稳定性。因此,两电子中性锌-空气电池的放电电位显著增强(~1.20 V),在0.2 mA cm?2下的寿命为400 h。研究团队进一步结合X射线吸收光谱、电子显微学和理论模拟,解析了活性中心及催化动态过程,阐明了催化材料各组分的协同增效原理,揭示了催化反应机制,建立了构-效关系,为高性能催化材料的创制提供了参考。 图介孔单原子催化材料用于中性锌-空气电池的示意图 查看详细>>

来源:国家自然科学基金委员会 点击量:0

2 我国学者在高模量高导热石墨烯纤维研究方面取得进展 2024-03-27

在国家自然科学基金项目(批准号:52090030)等资助下,浙江大学高超教授团队和清华大学徐志平教授团队合作,提出“复合流场湿法纺丝”方法,纺丝的同时,引入径向的旋转流场,使原本径向无序分布的氧化石墨烯基元有序化排列,形成了同心圆的液晶织构,经过干燥和高温石墨化后处理,大幅增大纤维中晶区的三维尺寸,同时实现了纤维的超高模量和超高导热性能,杨氏模量达901 GPa,导热率达1660 W/mK。相关成果以“双取向纺丝法制备高模量高导热石墨烯纤维(Bidirectionally promoting assembly order for ultrastiff and highly thermally conductive graphene fibres)”为题,于2024年1月9日在线发表在《自然?通讯》(Nature Communications)。论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-44692-7。 石墨烯纤维是由石墨烯基元有序组装排列而成的新型碳质纤维材料。2011年,浙江大学高分子系高超教授团队首次提出氧化石墨烯液晶湿法纺丝策略,发明了石墨烯纤维。石墨烯纤维首创石墨制纤的全新路径,跳出石油制备碳纤维的传统路线,具有全链条自主知识产权。结构功能一体化的碳基纤维是未来的追求目标和发展方向。在碳质材料中,导热率和模量与材料的结晶度相关:结晶度越高,模量越高;晶区尺寸越大,导热率越高。传统碳纤维由高分子(聚丙烯腈)或中间相沥青经过高温热裂解融合而成,晶区尺寸较小,导热性能遇到瓶颈。例如,美国氰特公司在上世纪中后期开发的标号中间相沥青碳纤维(K1100)的导热率至今仍保持在1000 W/mK左右,难以进一步提升。尽管以往报道的石墨烯纤维导热率可以达到1480 W/mK,但是其杨氏模量相较传统沥青基碳纤维仍有较大差距。 本工作采用“复合流场湿法纺丝”的方法,向管道流动中引入旋转剪切:旋转剪切流场用于控制纤维径向方向的基元有序排列,管道剪切流场以及塑化拉伸后处理实现纤维轴向方向的高取向排列,制备了同心圆织构和螺旋线织构的凝胶纤维。同心圆液晶织构制备的石墨烯纤维在轴向和径向均具有改善的石墨烯排列有序性,因此,其三维晶区尺寸均得到提升,尤其是晶体厚度Lc和沿径向方向的晶体长度La⊥分别提升235%和74%。为了验证同心圆石墨烯结构在制备高模量高导热碳基纤维的普适性,向同心圆石墨烯框架中引入聚丙烯腈分子,石墨烯诱导聚丙烯腈分子亦形成了高度结晶的石墨质结构,制备了低成本的高导热高模量碳纤维。 该研究成果,以大尺寸石墨烯基元组装制备的石墨烯纤维为基础,向结构功能一体化石墨烯基碳纤维目标迈进了一步。 查看详细>>

来源:国家自然科学基金委员会 点击量:0

3 我国学者在高性能介观钙钛矿太阳能电池领域取得进展 2024-03-26

在国家自然科学基金项目(批准号:52172198、51902117、91733301、22122307)等资助下,华中科技大学武汉光电国家研究中心韩宏伟教授团队在高性能可印刷介观钙钛矿太阳能电池方面取得进展。相关成果以“电子注入和缺陷钝化机制助力高性能介观钙钛矿太阳能电池(Electron injection and defect passivation for high-efficiency mesoporous perovskite solar cells)”为题,于3月15日发表在《科学》(Science)杂志上。论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9089。 为实现低成本光伏发电,基于固相晶锭切片工艺的晶硅电池、基于真空气相沉积工艺的薄膜电池以及基于湿法加工工艺的新兴太阳能电池先后被研发。其中,新兴太阳能电池可利用低成本的湿法涂膜设备进行简便加工,有望实现低成本制造。然而,相较于晶硅或薄膜电池,新兴太阳能电池在光电转换效率和工作稳定性方面面临巨大挑战,其根本原因是湿法加工制备薄膜本身处于非晶状态或结晶质量较差,其光生载流子寿命短且传输速度慢;同时存在“针孔”等形貌缺陷,不利于大尺寸组件制备进而导致产品良品率低;此外,结晶质量不高的薄膜材料在光热电等作用下容易退化,导致载流子传输能力的进一步下降,从而带来器件性能衰减。 为此,该研究团队自主研发了可全湿法加工的介观钙钛矿太阳能电池,在单一导电衬底上逐层印刷介孔二氧化钛层、介孔二氧化锆层及介孔碳电极层,之后填注钙钛矿材料到三层介孔膜结构中完成器件制备。通过模拟仿真及载流子动力学测试,三层介孔膜结构器件展现了不同于传统p-n结电荷分离机制(图)。在传统平面堆叠光伏器件中,光生载流子(空穴和电子)产生后在吸光层中长距离迁移,然后在空穴传输层(或电子传输层)界面被选择性提取,对应的电子传输层(或空穴传输层)起着阻挡异种载流子(空穴或电子)复合作用,因此在传统太阳能电池中电子传输层及空穴传输层是获取高光电转化效率的必要条件。该团队研发的三层介孔膜结构可印刷介观太阳能电池,解决了充分吸收光所需的吸收层厚度与确保电荷充分收集所需的载流子扩散长度之间的矛盾。使吸光材料局域在三维互穿网络结构电子传输层纳米孔中,吸光材料所产生的光生电子在三维方向上快速注入(3D注入)到介观电子传输层,电子和空穴分别在电子传输层和吸光材料层中传输,避免了钙钛矿/碳电极界面非辐射复合过程。在无空穴传输层的情况下,可印刷介观钙钛矿太阳能电池获得了超高的光电转化效率。该团队还针对多孔电子传输层内表面氧空位缺陷带来的性能损失关键制约,利用由软路易斯酸阳离子与硬路易斯碱阴离子构成的盐钝化剂进行处理,促使氧空位电离释放所束缚的电子,有效钝化了氧空位,成功将可印刷介观钙钛矿太阳能电池效率提升至第三方认证的22.3%,与此同时,57.5 cm2微型模组开口面积效率达18.2%,模组中单条子电池的电压超过1.1伏。 该工作创新性地提出了载流子3D注入机制,突破了传统p-n结电荷分离机制,为全湿法低成本规模化制备光伏器件乃至电致发光、光电探测器件提供了理论与方案支撑。 查看详细>>

来源:国家自然科学基金委员会 点击量:1

4 我国学者在热电能源材料研究领域取得新进展 2024-03-25

在国家自然科学基金项目(批准号:51925101)等项目的资助下,北京航空航天大学赵立东教授率领其团队,在热电能源材料研究领域取得新进展。相关研究成果以“栅格素化使中温硒化铅热电材料的制冷性能优于碲化铋(Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi2Te3)”为题,于2024年3月15日在《科学》(Science)上发表。论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9589。 热电制冷技术是一种利用帕尔帖效应直接将电能转换为热能的绿色制冷技术,仅通过调节工作电压和电流就可以实现对制冷量和温度的连续高精度控制。热电制冷技术由于其控温精准、尺寸灵活、结构多样和局部冷却等众多优势,在精确制导、传感器和5G光模块等关键领域具有比传统的机械压缩式制冷技术更强的竞争优势。因此,研发高性能制冷材料,提升制冷器件的制冷效率,对于诸多科技自立自强等关键领域的精确温控具有重要意义。 器件的制冷效率主要由材料的无量纲热电性能优值(ZT值)决定。由ZT值的定义ZT=(S2σ/κ)T可知,在给定温度T下,高性能材料应具有大的温差电动势S(产生大的电压),高的电导率σ(减小焦耳热损耗)和低的热导率κ(产生大的温差)。然而各个物理参数之间的复杂联系形成了紧密的声子-电子耦合关系,使得热电材料的性能优化极其具有挑战性,调控这些强烈耦合的复杂热电参数是提高材料ZT值和制冷效率的关键。 目前,碲化铋(Bi2Te3)基材料仍为唯一的可应用热电制冷材料,然而Te元素的地壳稀缺程度等同于白金,再且Bi2Te3基热电制冷器件存在可加工性能差、制冷性能不足和运行功耗过高等问题,因此探索和开发新型热电制冷材料及器件至关重要。经长期筛选研究发现SnSe晶体具有优异应用潜力(Nature 508(2014)373-377;Science 351(2016)141-144),并可成为新一代绿色制冷材料。2021年,在P型SnSe晶体中发现并利用了多能带的动量空间和能量空间协调效应(命名为Synglisis效应),实现了室温热电性能的大幅提升,基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现~45.7K的室温最大制冷温差,这一数值可以达到商用Bi2Te3基制冷器件的70%(Science 373(2021)556-561)。2022年,针对热电制冷材料和器件提出了基于成分和工艺调控的“栅格化”策略,可通过调控材料的本征缺陷,获得更高的迁移率和近室温热电制冷性能(Science 378(2022)832-833)。2023年,受“成分素化”策略的启发(Science 364(2019)733-734),提出了“晶格素化”概念,在P型SnSe晶体中引入微量的Cu来填充本征Sn空位,在室温下实现了超高电传输性能(利于低功耗),其热电制冷器件在热端温度(Th)为室温下能够实现~61.2 K的制冷温差,性能已经接近商用P型Bi2Te3(Science 380(2023)841-846)。相对而言,可以取代商用Bi2Te3的N型热电制冷材料进展缓慢。 受“栅格化”策略(Science 378(2022)832-833)以及“晶格素化”的启发(Science 380(2023)841-846),本工作通过调控N型PbSe中的本征Pb空位缺陷来大幅度提高载流子迁移率,即“栅格素化”。通过物理气相沉积(PVD)生长晶体的方法来制备出高质量的PbSe晶体,以及在PbSe晶体中额外引入微量的Pb,观察到了PbSe晶格中的本征Pb空位被填补,其对应的点缺陷散射被削弱,从而有利于载流子迁移率的显著增加(图)。在室温下实现了~52μW cm-1 K-2的超高电传输性能,以及室温ZT值~0.9和平均ZT值~1.4(300-673K),研究表明N型PbSe晶体在“发电”和“制冷”两个关键领域均有巨大潜力。 基于获得的高性能N型PbSe晶体在发电与制冷都表现出优异的性能。在420 K温差下单臂器件能够实现~11.2%的发电效率,与高性能P型SnSe晶体(Science 380(2023)841-846)搭配制备的Se基热电制冷器件在热端温度(Th)为室温下能够实现~73.3 K的制冷温差,其制冷性能优于Bi2Te3基等制冷器件。 查看详细>>

来源:国家自然科学基金委员会 点击量:2

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