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我院储能材料研究团队取得重要成果

admin 发布于 2016-10-25 16:29:57 阅读次数 3984

何学侠副教授在二维材料应用方面取得新进展

2004年石墨烯发现以来,二维光电材料因其潜在的广泛应用而受到普遍关注。如二维材料有望替代硅成为下一代半导体场效应管(FET)的通道材料就是其中的典型例子。赋予二维材料双极性成为实现其在逻辑电路中应用的核心。

我院何学侠副教授与新加坡南洋理工大学刘政教授合作,提出了以n型二维材料与p型有机半导体材料结合构建双极性新型二维异质结构新策略,成功地获得了基于新型有机无机异质结构FET器件。该器件活性层由n型二维材料硫化钼和p型有机晶体红荧烯(rubrene)构成,以其典型的双极性特性,成功地将其应用于CMOSComplementary Metal Oxide Semiconductor)反相器逻辑电路中。其开关阈值电压为-26伏时,增益可达到2.3伏,其性能远优于目前报道的硫化钼-碳纳米管、硫化钼-黑磷等异质结构器件。该成果不仅为构筑基于二维材料的有机无机新型结构材料提供了新思路,而且对于开发柔性微电子器件具有十分重要的意义。上述相关工作以“MoS2/Rubrene Van der Waals Heterostructure: Towards Ambipolar Field-effect Transistors and Inverter Circuits”为题,在线发表于近期Small, 2016, DOI: 10.1002/smll.201602558上,影响因子为8.315

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Small, 2016, DOI: 10.1002/smll.201602558

 

雷志斌教授在高能量密度超级电容器电极材料研究取得新突破

能量密度偏低是制约超级电容器应用的瓶颈。构建循环性能稳定的高能量密度电容器器件一直是该领域的研究热点,而高容量正负电极的理性设计及其电压窗口的合理匹配是解决这一问题的关键。

针对这些问题,材料科学与工程学院雷志斌教授、刘宗怀教授课题组与大连理工大学邱介山教授合作,以纳米结构提高电极与电解质有效接触面积,提升电极比容量,缩短离子迁移路径;以导电中空纤维结构确保电子和离子的快速传输为指导思想,在中空碳纤维(aCF)原位生长了NiCo-DH纳米线和Fe2O3纳米柱,提高了氧化物与碳纤维间的结合力,减小界面电荷传输阻力,有效解决了赝电容材料在充放电时的稳定性问题。同时以高容量的aCF-Fe2O3替代传统的碳电极,大幅度地提升了电容器的能量密度。以此组装的不对称电容器在2.0 M KOH电解液中的电压窗口可扩展到1.6 V,能量密度达83.7 Wh kg?110000次充放电循环后的电容保持率稳定在95%。两个电容器串联组装后充电76秒,可点亮LED50 min,驱动玩具小车前进1.85 m,使电子计时器工作17 h。上述研究结果以“High-energy asymmetric electrochemical capacitors based on oxides functionalized hollow carbon fibers electrodes”为题,发表于近期的Nano Energy, 2016, 30, 9-17DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.09.023),影响因子为11.553。第一作者为2014级材料学专业李婷同学。

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Nano Energy, 2016, 30, 9-17. DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.09.023

雷志斌教授长期从事超级电容器电极材料研究工作,取得了系列研究结果,得到同行认可。受英国皇家化学会旗下的标志性综合刊物Energy & Environmental Science之邀,雷志斌教授与澳大利亚昆士兰大学George等教授联合撰写了题为“Functionalization of chemically derived graphene for improving its electrocapacitive energy storage properties”的综述文章,该文章发表于近期Energy & Environmental Science, 2016, 9, 1891-1930DOI: 10.1039/C6EE00158K),影响因子为25.427

石墨烯是近年来发展的一类超薄单原子结构碳材料,具有高的导电率、大的比表面积、优异的力学和机械特性,已在能源、环境、生物、微电子等领域展示十分广阔的应用前景。但基于化学转化制备的石墨烯导电性较低,层与层之间易于团聚,导致材料的电化学活性面积大大减少,离子迁移路径长、扩散阻力大,这些因素很大程度上限制了石墨烯在电容器储能方面的应用。

本论文综述了近5年来,人们在抑制石墨烯团聚以及提高电化学电容的研究进展,分析了各种方法的优缺点;特别关注石墨烯材料的多孔结构对其比电容、离子输运、电荷传输、容量提升以及循环寿命等影响规律,最后提出了石墨烯在超级电容器应用中存在的问题及面临的挑战,并给出了可能的解决办法。全文共计40页,引用文献380余篇。

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Energy & Environmental Science, 2016, 9, 1891-1930. DOI: 10.1039/C6EE00158K.

上述研究结果得到国家自然科学基金、中央高校基金、111引智基地及陕西省科技创新团队的支持。