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        中國(guó)科學(xué)家研發(fā)區(qū)超級(jí)新材料氮化鈮電極材料

        中國(guó)科學(xué)家研發(fā)區(qū)超級(jí)新材料氮化鈮電極材料
        米淇MITR  2018-08-21  |  閱讀:2250

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        未來(lái)是微納米新材料的時(shí)代,新的材料運(yùn)用于各行各業(yè);   

        未來(lái)便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車急需各種高效電源,正在發(fā)展中的超級(jí)電容器是一種擁有美妙前景的儲(chǔ)能裝置,兼為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所青睞。常見的超級(jí)電容器電極材料主要包括ruo2、mno2、nio等過(guò)渡金屬氧化物、碳材料以及導(dǎo)電聚合物材料。近年來(lái),過(guò)渡金屬氮化物(tin、vn、wn、mo2n等)作為超電材料的研究不斷見諸報(bào)道,基于低成本、優(yōu)良的電化學(xué)性能、高摩爾密度、良好的電化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),有望成為優(yōu)質(zhì)的器件電極材料,應(yīng)用于下一代超級(jí)電容器儲(chǔ)能電源。

          最近,中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所和北京大學(xué)合作研究,崔厚磊、黃富強(qiáng)等研究者發(fā)現(xiàn)了一種全新的超級(jí)電容器性能優(yōu)異的氮化鈮電極材料——nb4n5納米孔薄膜。nb4n5屬于四方晶系的i4/m空間群,為一種富含nb空位缺陷的nacl型結(jié)構(gòu),從未被用作儲(chǔ)能材料。其制備過(guò)程簡(jiǎn)單,只需對(duì)nb箔在適當(dāng)條件下進(jìn)行陽(yáng)極氧化,隨后在nh3氣氛中熱處理,即可制備出高度有序的nb4n5納米孔陣列。xps分析結(jié)果表明nb4n5同時(shí)包含nb3+和nb5+,混合價(jià)態(tài)陽(yáng)離子的存在不僅產(chǎn)生了法拉第贗電容,而且導(dǎo)致了良好的類金屬的導(dǎo)電性。在1mh2so4電解液中,0.5macm-2的電流密度下獲得了226mfcm-2的面電容量,遠(yuǎn)高于類似nb2o5電極的0.2mfcm-2,也達(dá)到了金屬氮化物納米結(jié)構(gòu)薄膜電極的最高水平。電流密度增大到10macm-2時(shí),仍可保留為137mfcm-2說(shuō)明了良好的倍率性能。此外通過(guò)多巴胺的聚合、碳化,在nb4n5納米孔薄膜電極包覆了超薄碳膜,顯著改善了循環(huán)穩(wěn)定性,2000個(gè)循環(huán)伏安周期后電容保留率提高到接近100%。研究表明,碳包覆的nb4n5納米孔薄膜可以組成雙電極對(duì)稱器件,具有良好的實(shí)際應(yīng)用潛力。

          說(shuō)起業(yè)界所謂的“超級(jí)材料”,相信不少人首先想到的會(huì)是藍(lán)寶石。沒(méi)錯(cuò),這種硬度超高的材料因?yàn)樘O果的青睞而備受關(guān)注。但除了藍(lán)寶石之外,科學(xué)家們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)出了不少意義重大的超級(jí)材料,本文就將對(duì)其中的6種進(jìn)行介紹。

        自我修復(fù)材料——仿生塑料

         人體具備非常強(qiáng)大的自我修復(fù)能力,但建筑環(huán)境卻并不具備這種能力。去年,伊利諾伊大學(xué)的Scott White研發(fā)出了一種具備自我修復(fù)能力的仿生塑料。這種聚合物內(nèi)嵌有一種由液體構(gòu)成的“血管系統(tǒng)”,當(dāng)出現(xiàn)破損時(shí),液體就可像血液一樣滲出并結(jié)塊。相比其他那些只能修復(fù)微小裂痕的材料,這種仿生塑料可以修復(fù)最大4毫米寬的裂縫。

          熱電材料——熱量清道夫

          對(duì)于任何一部會(huì)使用能源的設(shè)備來(lái)說(shuō),廢熱的產(chǎn)生都是不可避免的。根據(jù)估算,人類所使用的所有能源當(dāng)中有2/3都以廢熱的形式流失了??梢怯修k法能夠捕捉到這些被浪費(fèi)的能量呢?

        去年,一家名為Alphabet Energy的公司開發(fā)出了一種熱點(diǎn)發(fā)電機(jī),它可被直接插入普通發(fā)電機(jī)的排氣管,從而把廢熱轉(zhuǎn)換成可用的電力。這種發(fā)電機(jī)使用了一種相對(duì)便宜和天然的熱電材料,名為黝銅礦,據(jù)稱可達(dá)到5-10%的能效。

         在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中,科學(xué)家們已經(jīng)在研究另一種具備可發(fā)展前景,甚至能效更高的熱電材料,名為方鈷礦,一種含鈷的礦物。熱電材料目前已經(jīng)開始了小規(guī)模的應(yīng)用——比如在太空飛船上——但方鈷礦具備廉價(jià)和能效高的特點(diǎn),可以用來(lái)包裹汽車、冰箱或任何機(jī)器的排氣管。

         鈣鈦礦——廉價(jià)太陽(yáng)能電池

          成本是可再生能源發(fā)展中的最大障礙。太陽(yáng)能正在變得更加便宜,但使用晶體硅制作太陽(yáng)能電池的成本和能源消耗依然非常高。可除了晶體硅之外,還有一種可用來(lái)制作太陽(yáng)能電池的替代材料,那就是鈣鈦礦。


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