清華新聞網(wǎng)8月1日電 先進(jìn)功能材料在科技領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色，其在各類器件中的應(yīng)用也日益受到廣泛關(guān)注與重視。在儲(chǔ)能領(lǐng)域方面，先進(jìn)功能材料的引入為二次電池的性能提升與安全性增強(qiáng)提供了關(guān)鍵支持，延長(zhǎng)了電池的使用壽命，提高了充放電效率，推動(dòng)電動(dòng)汽車、智能手機(jī)等電子產(chǎn)品的發(fā)展；在電磁屏蔽領(lǐng)域方面，尤其是在當(dāng)今高度互聯(lián)的數(shù)字化社會(huì)，電磁屏蔽技術(shù)的重要性愈發(fā)凸顯，先進(jìn)功能材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能為電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性帶來強(qiáng)有力的支持；在電致變色領(lǐng)域，先進(jìn)功能材料的研究與應(yīng)用使得智能玻璃、智能窗簾等產(chǎn)品成為現(xiàn)實(shí)。通過電場(chǎng)刺激，這些材料能夠?qū)崿F(xiàn)顏色、透明度等特性的可控變化，為建筑、航空航天等領(lǐng)域帶來了全新的設(shè)計(jì)理念和實(shí)用方案。先進(jìn)功能材料雖然在上述各種應(yīng)用型器件中都發(fā)揮著重要作用，但同時(shí)也面臨包括成本控制、性能優(yōu)化、穩(wěn)定性與可靠性等在內(nèi)的一系列挑戰(zhàn)，為了解決這些問題、更好地推動(dòng)其在各類功能器件領(lǐng)域中的發(fā)展，清華大學(xué)深圳國際研究生院楊誠團(tuán)隊(duì)近年來致力于納米材料的設(shè)計(jì)與制備，開發(fā)出多種高性能、長(zhǎng)壽命的先進(jìn)功能材料。
圖1 脫鹽電池的工作原理、性能驗(yàn)證及能量回收
近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院楊誠課題組與香港城市大學(xué)等研究課題組合作，發(fā)現(xiàn)了在電化學(xué)驅(qū)動(dòng)下氯離子受到R3m型鉍負(fù)極晶格層間的范德華相互作用，揭示了一種儲(chǔ)氯電極的類外延轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)制，并提出了在水系氯離子電池中針對(duì)鉍金屬負(fù)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的本征調(diào)控策略。相關(guān)研究成果以“鉍：插層化學(xué)引發(fā)的類外延轉(zhuǎn)化機(jī)制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的氯離子存儲(chǔ)”（Bismuth: An Epitaxy-like Conversion Mechanism Enabled by Intercalation-Conversion Chemistry for Stable Aqueous Chloride-Ion Storage）為題發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上，并被選為當(dāng)期JACS主封面（Front Cover）。清華大學(xué)深圳國際研究生院2020級(jí)博士生朱浩杰（現(xiàn)為美國萊斯大學(xué)化學(xué)系博士后）為本文第一作者，其他作者包括清華大學(xué)深圳國際研究生院康飛宇教授和博士后彭露，論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院楊誠副教授，香港城市大學(xué)支春義教授為共同通訊作者。
圖2 電磁屏蔽材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其激光加工方法
圖3 電磁屏蔽性能評(píng)估及吸波原理
此外，課題組提出了受“爆米花制造”啟發(fā)的納米材料激光加工方法，展示了一種兼具高導(dǎo)電性和磁性多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜，通過在導(dǎo)電多孔納米碳宿主內(nèi)均勻負(fù)載磁性納米顆粒來最大化磁電協(xié)同效應(yīng)。該策略不僅為EMI屏蔽機(jī)制和材料的發(fā)展提供了見解，而且還顯示了卓越的制造通用性、小尺寸和器件可靠性。相關(guān)研究成果以“爆米花式制備工藝：石墨烯-鐵酸鎳柔性復(fù)合薄膜用于強(qiáng)電磁屏蔽和吸收”（A popcorn-inspired strategy for compounding graphene@NiFe2O4 flexible films for strong electromagnetic interference shielding and absorption）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。清華大學(xué)深圳國際研究生院2020級(jí)碩士生劉明杰，2021級(jí)碩士生王志遠(yuǎn)為本文共同第一作者，論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院楊誠副教授。
圖4 “無電極”電致變色器件
針對(duì)傳統(tǒng)電致變色器件的商業(yè)化面臨諸如高成本、復(fù)雜的制造工藝以及依賴離子嵌入/脫出機(jī)制的傳統(tǒng)電致變色材料固有的低光學(xué)對(duì)比度等障礙。課題組提出了一種全新的雙沉積溶解電致變色體系，通過陽極Cu/Cu2+和陰極MnO2/Mn2+的同時(shí)沉積和溶解來實(shí)現(xiàn)均勻變色，所開發(fā)出得無電極電致變色器件免除了復(fù)雜的電致變色層制備步驟。該器件在組裝過程和漂白狀態(tài)下均不包含電致變色層，僅由兩個(gè)透明導(dǎo)電基底和水系電解質(zhì)構(gòu)成。這種極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)的器件不僅簡(jiǎn)化了制造工藝，還展示出優(yōu)異的電致變色性能，對(duì)將來進(jìn)一步大規(guī)模生產(chǎn)尤為有利。相關(guān)研究成果以“具有快速響應(yīng)和寬動(dòng)態(tài)范圍的電致變色窗口，無需傳統(tǒng)電極即可實(shí)現(xiàn)可見光調(diào)制”（Electrochromic windows with fast response and wide dynamic range for visible-light modulation without traditional electrodes）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。清華大學(xué)深圳國際研究生院2021級(jí)碩士生賈卓飛、科研助理隋一明、2018級(jí)碩士生錢龍為本文共同第一作者，論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院楊誠副教授。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/jacs.4c05337
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49498-1
https://www.nature.com/articles/s41467-024-50542-3
供稿：深圳國際研究生院
編輯：戴雨靜 邱收
審核：陳超群 黃思南
