熊胜林助教课题组在财富材质交叉学科领域获重

9778818威尼斯官网 1超级电容在关闭后也能持续让手电筒亮很长时间。 美国麻省理工学院官网10日公布了该校科学家发表在《自然材料学》上的最新研究成果:他们研制出首个不含碳的超级电容,性能超过碳基材料,未来除用于电动汽车等新能源领域,还能用来生产可调节亮度的变色窗户和探测痕量化学物质的化学传感器。 超级电容因充放电速度快、功率密度高等因素成为能源储存系统的研究热门。但目前的超级电容都是利用碳基材料制成,包括碳纳米管、石墨烯和活性炭,这些含碳超级电容在生产过程中需要800℃以上的高温以及刺激性强的化学物质。而现在我们发现了一类不含碳的全新超级电容材料。MIT助理化学教授米尔恰丁卡说。 这种全新电容用一类称作金属有机物框架的材料制成。MOFs具有像海绵一样的多孔性结构,表面积比碳基材料大很多,而超大表面积对超级电容性能表现非常重要。但MOFs有一个大的缺陷,它们没有超级电容要求的电子传导性。丁卡表示,虽然他们让MOFs具有导电性被认为极其困难,但最终展现了MOFs非常好的离子传导性能。 测试表明,新超级电容充放电1万次后储能损失不到10%,在许多关键性能参数的表现上,已经相当于甚至超越了现有的碳基材料。但丁卡表示,MOFs材料还有很大的优化潜力,其表面积经过优化后,完全能达到现有碳基材料的3倍,其储电量将达到惊人的高度。 除了比碳基材料稍贵外,MOFs优势明显,表面积大,生产中的温度和化学条件不再严苛。未来除用于超级电容外,还能用于储存天然气、生产可调节亮度的窗户以及医用或安全性检测的化学探测器。来源:科技日报

美国麻省理工学院10日公布了该校科学家发表在《自然·材料学》上的最新研究成果:他们研制出首个不含碳的超级电容,性能超过碳基材料,未来除用于电动汽车等新能源领域,还能用来生产可调节亮度的变色窗户和探测痕量化学物质的化学传感器。

金属离子混合电容器集高能量密度、高功率输出以及长循环寿命等优点于一身,近年来已成为未来可持续发展新型储能系统的一个重要发展方向。其中,因钠资源丰富、价格低廉,与锂的物理化学性质相似,使得钠离子电池及钠离子混合电容器作为锂离子储能体系有效的替代产品,发展势头迅猛,各类新型钠离子混合电容器的研究报道不断涌现。

[本站讯]近日,山东大学化学与化工学院熊胜林教授在学校交叉学科研究项目等基金的支持下,组织化学、材料、能源等有关学科力量,在碳基功能材料的精准制备与储能研究中获系列重大进展,2017年连续在材料领域的顶级期刊《先进材料》(Adv. Mater., IF=19.79)、《先进能源材料》(Adv. Energy. Mater., IF=16.721)、《先进功能材料》(Adv. Funct. Mater., IF=12.124)发表6篇高水平论文。

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近日,中国科学院兰州化学物理研究所清洁能源化学与材料实验室研究员阎兴斌团队利用新型金属有机骨架材料开放的孔道结构、高的比表面积和可调控的结构,从MIL-125和ZIF-8入手,成功制备了结构稳固并兼具快速动力学特征的TiO2/C纳米复合负极材料和具有高比表面积的3D分级纳米多孔碳ZDPC正极,在NaClO4/EC-PC有机电解液体系,成功构筑了高性能新型钠离子混合电容器。

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现在,城市污染气体的排放中,汽车已占了70%以上,世界各国都在寻找汽车代用燃料。由于石油短缺日益严重人们都渐渐认识到开发新型汽车的重要性,即在使用石油和其它能源的同时尽量降低废气的排放。

研究发现,MOFs衍生TiO2/C纳米复合材料,因有机配体热分解时生成的TiO2纳米晶表面原位形成了连续导电网络,这不仅有利于提高材料的导电性,还可有效防止在充放电过程中TiO2纳米颗粒的团聚和体积膨胀,大大提高材料的循环稳定性和倍率特性。微孔和介孔并存的独特孔结构以及细小的TiO2纳米晶都可有效缩短离子扩散路径,增大活性材料与电解液的接触位点,有效提高材料的动力学行为。而ZIF-8衍生的3D分级纳米多孔碳正极,因配体原位引进氮、氧杂原子,有效改善了材料的导电性和电解液浸润性,加之高的比表面积和微孔、介孔以及大孔并存的分级多孔结构,使得该材料在有机电解液体系中依然表现出优异的双电层电容行为,比电容明显高于商用活性炭。在此基础上,基于正、负极质量配比优化和动力学行为匹配,成功构筑了高能量密度和高功率输出以及循环稳定性优异的新型储能器件TiO2/C//ZDPC。

TiO2@graphene核壳纳米片的结构的精准合成与表征

熊胜林助教课题组在财富材质交叉学科领域获重大进展,普埃布拉化学物理切磋所在钠离子混合电容器钻探方面获得新进展。超级电容器功率密度大,充放电时间短,大电流充放电特性好,寿命长,低温特性优于蓄电池,这些优异的性能使它在电动车上有很好的应用前景。在城市市区运行的公交车,其运行线路在20公里以内,以超级电容为唯一能源的电动汽车,一次充电续驶里程可达20公里以上,在城市公交车将会有广阔的应用前景。电动汽车属于新能源汽车,包括纯电动汽车,BEV)、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车(FuelCellElectricVehicle,FCEV)三种类型。它集光、机、电、化各学科领域中的最新技术于一体,是汽车、电力拖动、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源和新材料等工程技术中最新成果的集成产物。电动汽车与传统汽车在外形上没有什么区别,它们之间的主要区别在于动力驱动系统。电动汽车采用蓄电池组作储能动力源,给电机驱动系统提供电能,驱动电动机,推动车轮前进。虽然电动汽车的爬坡度、时速不及传统汽车,但在行驶过程中不排放污染,热辐射低,噪音小,不消耗汽油,结构简单,使用维修方便,是一种新型交通工具,被誉为“明日之星”,受到世界各国的青睐。超级电容器简介超级电容器又称为电化学电容器,是20世纪年代末出现的一种新产品,电容量高达法拉级。以使用的电极材料来看,目前主要有3种类型:高比表面积碳材料超级电容器、金属氧化物超级电容器、导电聚合物超级电容器。1、基本原理根据电化学电容器储存电能的机理的不同,可以将它分为双电层电容器,EDLC)和赝电容器(Pesudocapaeitor)。碳基材料超级电容器能量储存的机理主要是靠碳表面附近形成的双电层,因此通常称为双电层电容;而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化还原反应产生的赝电容。双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当电极和电解液接触时,由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用,使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷,称为界面双电层。双电层电容的大小与电极电位和表面积的大小有关。双电层电容器电极通常由具有高比表面积的多孑L碳材料组成。碳材料具有优良的导热和导电性能,其密度低,抗化学腐蚀性能好,热膨胀系数小,可以通过不同方法制得粉末、颗粒、块状、纤维、布、毡等多种形态。

该成果近期在线发表于《先进功能材料》(熊胜林助教课题组在财富材质交叉学科领域获重大进展,普埃布拉化学物理切磋所在钠离子混合电容器钻探方面获得新进展。Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201800757)。该工作得到了国家自然科学基金(21573265,21673263和51501208)和青岛市自主创新计划基金(16-5-1-42-jch)的资助和支持。

针对当前锂离子电池应用存在锂储量不足、成本升高等问题,熊胜林教授课题组积极进行了高性能低成本的新型电池如钠/钾离子电池研究工作,并取得了阶段性重要进展。最近,该课题组利用回流法将无定型TiO2包覆在g-C3N4片模板上,g-C3N4在真空高温下分解成氮掺杂的碳包覆在TiO2颗粒的表面形成少层石墨烯包覆的TiO2片状结构。石墨烯包覆层不仅提高了TiO2的导电性,而且限域其形成10 nm左右颗粒。因其独特的二维复合结构,作为钠离子电池负极材料显示了优异的长循环和高倍率性能。动力学分析发现,石墨烯包覆的TiO2二维材料在充放电过程中表现出极高的电容行为,有利于快速充放电,提高了其倍率特性;理论模拟证实氮掺杂的石墨烯包覆层显著降低了钠离子嵌入的能垒,因而提高了其电化学性能。该材料制备简单、精准可控、方法普适,为探索具有实际应用的钠离子电池负极材料提供了一种新的可行方案(Adv. Mater., 2017, 29, DOI:10.1002 /adma.201705788)。

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氮氧共掺杂分级多孔硬碳材料的精准制备图示

钠离子混合电容器构筑示意图和性能展示图

9778818威尼斯官网,针对如何同时提高钾离子负极材料的比容量和倍率性能这个难题,熊胜林教授课题组采用一种铝基金属有机骨架材料作为前驱体,通过简单的碳化和酸洗法制备出具有高比表面积(1030 m2/g)、氮氧双掺杂的分级多孔硬碳材料。电化学测试表明其性能远远优于商业化硬碳在钾离子电池中的应用。机理研究表明该电极材料在储能过程中体现出混合控制机制,其中表面电容控制占主要贡献。表征结果证明其储钾机理:在放电过程中钾离子首先穿过孔道嵌入到石墨层间,随着电压的降低,钾离子在低电压区实现了孔隙的填充和金属团簇的形成。通过进一步采用预钾化处理技术,电极材料的首圈库伦效率提高到90.5%,为钾离子负极材料甚至是安全性高的钾金属负极设计提供了一条新途径(Adv. Mater., 2017, 29, DOI:10.1002/adma.201700104)。

MnO@Mn3O4/氮掺杂碳框架复合结构的精准制备与表征

针对如何获取新型功能化碳基复合材料,熊胜林教授课题组首次采用新型的高核金属团簇代替常用的MOFs材料,制备了一系列金属氧化物/碳复合材料。如以合成的高核锰簇为结构模板,精准制备了MnO@Mn3O4核壳纳米颗粒嵌于氮掺杂的多孔碳框架的三维复合材料。因MnO@Mn3O4核壳颗粒均匀分布在碳骨架中,既提高了氧化物的导电性,也有利于缓解在充放电过程中的体积效应和应力变化,作为锂离子电池负极材料表现出了优异的储锂性能。动力学分析表明界面的电容效应有利于实现长循环寿命和锂离子储存;DFT计算的界面电荷密度分析显示,多孔碳骨架和MnO@Mn3O4核壳颗粒的有效结合为锂离子的嵌入/脱出提供了从电解液到NPCF-Mn3O4界面更可行的途径,该研究思路为制备新型碳基复合材料指明了一个新的方向(Adv. Mater., 2017, 29, DOI:10.1002/adma.201704244)。

熊胜林教授自2011年9月进校工作以来,主要从事化学、材料与能源领域交叉学科的基础应用研究。在国家自然科学基金、省杰出青年基金、973项目、山东大学交叉学科培育项目等资助下,以通信作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等顶级刊物发表影响因子10.0以上SCI论文13篇,他引和评价2200余次,8篇入选ESI高引论文,为学校的人才培养和“双一流”学科建设作出了贡献。该系列研究工作是熊胜林教授课题组与化学院孙頔副教授、材料学院冯金奎副教授和中国科技大学林岳博士共同合作完成。

山东大学科学技术研究院利用基本科研业务费设立了交叉学科培育项目,目的在于促进新思想、新理论、新技术、新方法等在不同学科间的相互发展与应用,鼓励不同学科的专家和学者开展深入的交流与合作,产生新的学科增长点。

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