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?這個團隊剛獲國家自然科學二等獎,再發Nature Nanotech.!

作者簡介

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張荻上海交通大學材料科學與工程學院講席教授(教育部長江學者)。1982年西安交通大學機械系本科畢業,1985、1988年獲大阪大學碩士、博士學位,1988年9月起在上海交通大學任教?,F擔任金屬基復合材料國家重點實驗室主任,國家973項目首席科學家、中國復合材料學會常務理事、金屬基及陶瓷基復合材料專業委員會主任。《復合材料學報》副主編,《金屬學報》、《科學通報》、國際期刊《Composites Science and Technology》編委。先后在日本Yuasa中央研究所、大阪大學超高壓電鏡中心、京都大學材料系、佐賀大學電子系和德國Max-Planck金屬研究所、法國特魯瓦大學機械材料并行實驗室作訪問學者和教授。2021年11月3日,張荻教授領銜團隊的“秉承自然生物精細構型的遺態材料”項目榮獲2020年度國家自然科學獎二等獎

研究背景

當超級電容器需要滿足快速響應和有限空間應用中的緊急需求時,高體積功率/能量密度必不可少,因此開發能夠在超高速率下提供高體積電容 (Cv) 和實際應用可接受的面積電容 (Ca) 的電極至關重要。然而,在超高速率(≥1000 mV s-1)下運行的電極難以同時實現高Ca和高Cv,高Cv的超薄致密電極往往由于低質量負載導致低Ca,而高Ca的高負載電極往往因為結構松散而導致Cv的降低。該困境與離子傳輸的通道利用率有關,尤其是在高速率下。

最新研究

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為了解決上述挑戰,上海交通大學張荻教授、劉慶雷研究員、顧佳俊教授聯合加州大學洛杉磯分校Y. Morris Wang(共同通訊)等人報道了一種剝離-碎裂-重新堆疊策略,用于合成基于二維1T-MoS2量子片的厚度可調(1.5~24.0 μm)致密電極薄膜。這些薄膜具有獨特的結構,具有致密的窄(<1.2 nm)和超短(~6.1 nm)疏水納米通道用于限制離子傳輸。這些電極不僅使每單位面積的垂直離子傳輸納米通道增加了十倍,而且水平面間離子擴散長度比其2D片狀對應物短十倍。完全互連的離子快速傳輸結構單元的最佳電極結構使這些致密的電極能夠在各種電解液中提供出色的儲能性能。
其中,在2000 mV s-1的超高速率下測試的14 μm電極不僅可以提供0.63 F cm-2的高面積電容而且還有437 F cm-3的超高體積電容,比報道的其他電極的體積電容高一個數量級。密度泛函理論(DFT)和從頭算分子動力學(AIMD)模擬表明,水合作用納米級通道在實現超快離子傳輸和增強電荷存儲方面起著至關重要的作用:溶劑化的存在可以大大削弱質子與 MoS2表面的相互作用,從而有利于離子擴散;疏水性、超短(<10 nm)納米通道中的質子傳輸研究表明,當通道寬度接近1.0 nm時,由于獨特的 Grotthuss“跳躍-轉向”限制傳輸機制,導致擴散常數高一個數量級。
這項工作為在厚而致密的薄膜中產生快速離子傳輸通道提供了一種通用策略,用于能量存儲和過濾應用。由于重新堆疊方法可以通過控制水合程度產生廣泛的層間距,并且不再有眾多主體材料的尺寸限制,因此該策略也可適用于其他金屬或半導體2D材料,可以實現更高質量電容的輕質材料。進一步的結構優化(例如量子片的大小和形狀以及水合程度)可能有助于提高 2D 量子片薄膜在儲能或過濾應用中的性能。

圖文詳情

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圖1. 二維1T-MoS2量子片薄膜的設計和制造示意圖
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圖2. 二維1T-MoS2量子片薄膜的表征
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圖3. 水合二維1T-MoS2量子片電極在0.5 M H2SO4中的電化學性能
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圖4. 1T-MoS2量子片電極與其他電極在超高速率下的Cv/Ca比較

其他通訊作者簡介

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顧佳俊,上海交通大學材料科學與工程學院教授,博士生導師,國家自然科學基金青年、面上項目函評專家,2012年入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”。主要從事基于自然生物模板的新型功能材料(遺態材料)的設計制備、性能研究與深入機理分析。主持自然科學基金面上項目、青年項目多項,作為骨干參與國家973項目、國家自然基金重點項目、國家863項目等多項。2021年11月3日,顧佳俊教授排序第三位的“秉承自然生物精細構型的遺態材料”項目榮獲2020年度國家自然科學獎二等獎。
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劉慶雷,上海交通大學材料科學與工程學院研究員。2001年于上海交通大學獲工學學士學位,2006年日本大阪大學從事合作研究,2009年獲上海交通大學工學博士,同年留校工作,工作期間獲上海交通大學SMC-晨星優秀青年教師、優秀學士學位論文指導教師等獎項。2015年赴美國佐治亞理工學院合作研究,從事新型電池和超級電容器關鍵材料和器件研發。工作期間,先后承擔國家自然科學基金重點、國家自然科學基金面上、973子課題、863、上海市自然科學重點基金、上海市自然科學基金等項目。

文獻信息

Chen, W., Gu, J., Liu, Q. et al. Two-dimensional quantum-sheet films with sub-1.2?nm channels for ultrahigh-rate electrochemical capacitance, Nat. Nanotechnol. (2021). https://doi.org/10.1038/s41565-021-01020-0

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