解耦质子-电子传输促进Ru-Pb二元电催化剂上的OER动力学

开发酸性条件下的析氧反应(OER)电催化剂是质子交换膜(PEM)电解水技术的核心问题.Ru基催化剂作为酸性OER中的基准催化剂,其OER活性被传统的协同质子-电子转移过程带来的比例关系所限制,仍然存在动力学迟缓的问题.基于荷电表面可能有利于加速OER动力学的认识,本文将具有赝电容性质的元素Pb加入Ru基催化剂中以提升O...     

取向碳纳米管/高分子新型复合材料的制备及应用

碳纳米管/高分子复合材料已经被广泛研究, 但长期以来存在一个共同而关键的挑战, 即碳纳米管无规聚集, 结构难以调控, 性能无法满足应用需要. 本工作提出了制备取向碳纳米管/高分子复合材料的一种新方法, 获得块状、膜状、纤维状复合材料, 制备的关键步骤是通过化学气相沉积法合成可纺的高质量碳纳米管阵列. 该方法简单易行, 具有较好的普适性. 由于碳纳米管取向排列, 复合材料具有优异的物理性能, 如碳纳米管取向后复合材料的机械强度和导电率可分别提高一个和三个数量级. 在此基础上, 进一步探讨取向碳纳米管/高分子复合材料作为新型电极在有机太阳能电池中的应用.     

新型纤维状能源器件的发展和思考

近年来,可穿戴电子设备受到了人们的广泛关注,柔性、轻质和可集成成为发展的主流.然而,随着可穿戴电子设备的快速发展,在能源供给上出现了一些瓶颈难题,如传统块状和板状能源器件难以根据应用要求紧贴不规则基底、柔性相对较低、不能透气导湿,这些问题严重限制了可穿戴设备及其他相关领域的发展.解决上述问题的一个有效策略是将能源器件制成纤维结构.虽然单根纤维状能源器件提供的能量有限,但是它们可以被编成织物,从而输出较高的总能量.同时,能源织物可紧密贴合不规则基底如人体、能透气导湿,有效满足可穿戴设备的应用要求.目前纤维状能源器件包括能量转换和储存两大类,能量转换器件主要有染料敏化太阳能电池、聚合物太阳能电池和钙钛矿电池太阳能电池,而能量储存器件则主要有超级电容器、锂离子电池、锂空气电池、锌空气电池、铝空气电池等.在实际应用中,光电转换和能量储存2个功能往往被集成在同一根纤维状能源器件中.本文重点介绍了纤维状能源器件的发展历史和研究现状,系统总结了这个领域面临的主要挑战,最后展望了本领域未来发展方向.     

柔性纤维生物电子复合材料与器件

可穿戴和可植入的纤维生物电子器件可以实现对人体生理体征的实时监测和精准调控,在健康监测和疾病诊疗等领域发挥了革新作用.然而,传统的纤维生物电子器件柔性不足而与生物软组织的力学性能不匹配,难以形成稳定的器件/组织界面,最终无法实现长期稳定工作.本文重点介绍了近年来课题组针对上述问题在柔性纤维生物电子复合材料与器件方面的研究进展.首先制备了具有杂化结构和芯鞘结构的柔性高分子复合纤维电极,并面向柔性生物电子器件要求,对纤维材料的电学和力学性能及生物安全性进行表征.进一步,基于所制备的复合纤维电极,发展出一系列可穿戴和可植入的纤维生物电子器件,具有传感、能源、调控等功能,并通过建立稳定的器件/组织界面,实现了在体长期工作,在生物医学研究和智慧医疗等领域展现出良好的应用前景.最后,展望了柔性纤维生物电子领域的未来发展方向.     

纤维储能电池的设计和应用

以纤维锂离子电池为代表的纤维储能电池凭借其独特的一维结构,在物联网、可穿戴技术等新兴领域发挥着重要作用.然而,这类纤维储能电池在面向实际应用的过程中存在高效制备和性能匹配等难题尚未解决,最终无法实现由科学理论向实际应用的过渡.本文结合本课题组近期工作,总结了柔性纤维储能电池方面的研究进展.结合纤维锂离子电池的电化学性能、力学性能以及使用耐受性,首先讨论并归纳了纤维锂离子电池的连续化制备方法;进一步,总结了基于连续化制备的纤维锂离子电池所构建的储能织物以及与可穿戴设备集成等方面的应用,重点聚焦于其在大数据云健康、未来通讯、生物医学等领域的应用场景;最后,总结了柔性纤维储能电池的发展现状并展望了该研究领域的未来发展方向.     

金属主链高分子的量子化学计算

金属主链高分子是一类完全以金属原子作为主链的新材料,在光电、传感、电化学储能等领域都具有重要的应用前景.但是,如何获得具有较高分子量的金属主链高分子,仍然是一个挑战.本文通过密度泛函理论计算方法,对镍金属主链高分子进行了结构优化和稳定性分析,发现随着聚合物分子量的增加,镍金属主链高分子的单点能逐渐降低,说明高分子量的金属主链高分子具有稳定的分子构型.但是,随着分子量的进一步提高,计算量显著增加,密度泛函理论计算方法收敛困难.为此,本文进一步通过Hartree-Fock计算方法对该系列镍金属主链高分子进行了分子构型优化,得到了与密度泛函理论计算结果相似的规律,并且发现当分子量超过1×10⁴时,金属主链高分子仍然具有较高的结构稳定性.此外,这种电子离域在整个金属主链上的独特金属-金属的相互作用有利于实现电荷的高效传输;以金属原子为重复单元的分子结构,有望实现金属和高分子材料性能的有效结合,可以获得较高的热失重温度和熵弹性.