國內周報新年特刊:超級電容器能量密度低！怎么破！？
2016農歷新年剛剛結束，材料牛的編輯小伙伴們為大家送上國內周報新年特刊，帶你一覽新年里我國先進材料研究進展的代表作。
說到特斯拉電動車，小編眼前一亮，這可是神車啊！多少車迷為之瘋狂。當然，本則信息說的可不是特斯拉咯！而是它所應用到的——超級電容器！超級電容器又稱電化學電容器,是目前最重要的電能儲存裝置之一，廣泛應用于電動車、清潔能源存儲等領域。如今的超級電容器能量密度低，如何提高超級電容器的能量密度是當前亟待解決的問題。
近期，中科院金屬研究科研人員為了解決這一問題，提出了采用電化學電荷注入(ECI)來改變電極材料的表面電化學結構，從而調控正、負電極材料的電化學電位到最佳初始電位的方法，使組裝的超級電容器在調控后的能量密度大大增加。另外，研究人員采用電化學預包覆的方法(PEC)通過二氟草酸硼酸鋰(LiODFB)的分解在正電極表面預先包覆一層納米尺度的保護層的方法解決了石墨烯鋰離子超級電容器隨能量密度增加其循環使用壽命降低的問題，提出了鋰離子超級電容器的智能電芯設計思路設計出實用化電芯結構，避免了廢舊電芯處理帶來的資源和環境問題。
相關研究成果發表于Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials以及Energy Storage Materials。
由于霧霾、環境污染等一系列環境問題愈發突出，清潔能源近些年來備受人們關注。光電催化分解水制氫作為獲得清潔能源的一個重要途徑，其可實現太陽能與化學能之間的轉化。納米多孔半導體材料在這方面一直是備受關注的寵兒，但因其催化作用機理尚未明確而受到應用限制。
近期，蘭州化物所畢迎普團隊在前期鉍系半導體納米材料可控構建及其光電催化性能研究基礎上，通過涂層焙燒法在FTO基底生長了孔徑在200至700 nm范圍內可控的納米多孔結構BiVO4光陽極材料，并對其光電催化分解水制氫進行研究，結果表明多孔結構BiVO4的孔徑為400nm時其可見光光電催化性能最佳，進而證實合理調控半導體孔徑可作為一種有效方法用于提高半導體光電催化分解水性能。
相關研究成果發表在Nanoscale（Nanoscale, 2015, 7, 20374）上。
光催化技術是在20世紀70年代誕生的基礎納米技術，催化劑是加速化學反應的化學物質，其本身并不參與反應。光催化劑就是在光子的激發下能夠起到催化作用的化學物質的統稱。
近期，一種同時具有光解水產氫和光降解有機物雙功能的新型高效光催化劑——半導體金屬有機框架(簡稱MOF-1)由南開大學趙斌教授和王衛超教授團隊聯合研制成功。通過實驗研究MOF-1光解水產氫的能力，發現其產氫效率之高，在現有的金屬有機框架材料中十分少見，且具有可重復利用性。另外通過熱重分析發現該催化劑具有極高的熱穩定性。
相關研究成果發表于Angewandte Chemie International Edition。
加速器驅動次臨界ADS（Accelerator Driven Subcritical）系統是未來先進核嬗變能系統，該系統由加速器、散裂靶、反應堆三部分組成，由于涉及到核能方面，因此對散裂靶用結構材料要求甚是嚴格，需要同時具有耐高溫、抗輻照、抗液態金屬腐蝕等性能。SIMP鋼作為散裂靶用結構材料之一，其制備具有眾多難點：難熔金屬元素的熔解、超純鐵的制備、易活化元素含量的控制、成分均勻性控制、全部馬氏體組織的獲得等。
針對SIMP鋼的制備難點，中科院金屬研究所楊柯、單以銀等人在5年時間內，完成了具有自主知識產權的散裂靶用結構材料—新型耐高溫抗輻照抗液態金屬腐蝕馬氏體耐熱鋼SIMP鋼的成分、組織設計與優化、其各項性能的評價與研究等多方面工作，成功制備出具有自主知識產權的耐高溫、抗輻照、耐液態金屬腐蝕新型結構材料，使我國在核用結構鋼方面的研究開發達到了國際先進水平，可大大地推動中國ADS核嬗變系統的研究進程。
鋰空氣電池是一種以金屬鋰作為陽極、空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。該電池以空氣中的氧氣為原料，其理論能量密度遠高于傳統鋰離子電池能量密度。然而鋰空氣電池存在電化學反應過程復雜以及過電勢大、壽命短等一系列問題，限制了其在電動汽車等領域的應用。
近期，中科院閻興斌等人以碳纖維(CFs)作為犧牲模板劑分別制備了低比表面積的管狀二氧化錳(δ-MnO2)和高比表面積的CFs/MnO2同軸纖維，研究發現δ-MnO2催化劑的引入可促使放電產物（Li2O2）由環形結構向片層結構轉變，顯著降低了空氣電極的過電勢，從而大幅提高了鋰空氣電池的電化學性能。在此基礎上研究人員通過一步法制備了碳化的密胺海綿-石墨烯-核殼結構的鈷/一氧化鈷（Co/CoO）三維復合空氣電極，研究發現該復合空氣電極顯著提高了鋰空氣電池的電化學性能。
相關研究成果分別發表于ChemSusChem、J. Materials Chemistry A 和Advanced Functional Materials。
納米超晶格是一種由納米顆粒周期性有序堆積而形成的新型超材料。在顯示、傳感、太陽能電池、光纖通信等領域有著巨大的應用潛力。
近日，中科院深圳先進院與香港城市大學合作，在納米自組裝三維超晶格光學芯片領域取得新突破。該課題組成員李鵬輝等研究建立了一種反咖啡圈效應的方法，可有效控制液滴蒸發過程顆粒在基底表面的自組裝行為。該項成果實現了厘米尺度三維超晶格光學芯片的大規模制備，可廣泛用于表面增強拉曼光譜（SERS）、熒光增強、太陽能電池、生物芯片等諸多領域；更為重要的是，該項成果在納米材料與宏觀應用之間搭建起了橋梁，對納米科學的發展具有重要意義。
相關論文已被材料學刊物Advanced Materials 封面報道(Inside Front Cover)。Evaporative Self-Assembly of Gold Nanorods into Macroscopic 3D Plasmonic Superlattice Arrays (DOI: 10.1002/adma.201505617)
近日，金屬所任伊賓副研究員帶領的研究團隊開發一種新型多孔金屬制備方法，充分利用“柯肯達爾效應”在真空環境中制備出多孔銅、多孔鎳和多孔不銹鋼等多孔金屬。
金屬所新開發的多孔金屬制備方法相對于傳統的脫合金方法屬于物理脫合金方法，通過物理升華和擴散原理獲得多孔合金。目前可以大規模制備孔徑為1-10微米高孔隙率多孔合金（開孔），孔隙率約為35-75%，已在實驗室成功生產制備出均勻多孔銅合金、鎳合金以及不銹鋼等多孔金屬材料，制備的多孔銅箔用于鋰離子電池表現出更加優異的性能，其它應用研究正在不斷開發中。通過不斷的改進完善，本項目技術已成熟，并具有完全自主知識產權。
初步研究成果近期已經快速發表在Vacuum和Materials Letter上，相關研究成果已經申請了5項發明專利和一項國際專利。
最近，中科院物理所／北京凝聚態物理國家實驗室(籌)博士生利用極低溫高分辨掃描隧道顯微鏡，在鐵基超導體Fe1+x(Te,Se)中發現處于間隙位置的單原子鐵雜質上會產生一個非常尖銳的零能電導峰。
通過搬運原子的方法，他們證實了該束縛態由鐵雜質誘發，與常規超導體中的雜質態有很大區別。可能是由于Te的摻入而形成。實驗觀察所得與理論預言的拓撲超導體中的馬約拉納費米子性質相吻合，推測它有可能是近些年來科學家們孜孜以求的馬約拉納費米子。
該成果發表于Nature Physics。
光致變色物質具有顏色和多種物理性質可逆變化的特征，光磁效應的化合物除具有一般光致變色物質的強光防護、光開關等功能外，還可能在磁共振成像、光信息存儲等方面發揮著重要的作用。
近期，福建物構所研究員郭國聰等人首次發現了3d-4f多氰基配位化合物的光致變色現象和室溫光磁效應，即 [EuIII(18-冠-6)(H2O)3]FeIII(CN)6?2H2O在室溫時經紫外光或紫光照射后，生成了穩定的冠醚自由基和二價鐵，晶體顏色表現出典型的光致變色現象。變色前后，化合物的磁性會發生顯著的變化。
該研究以通訊形式發表在J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10882?10885。
當前的固態柔性超級電容器大多是由兩個柔性電極薄膜和中間凝膠態電解質薄膜疊放在一起形成的多層膜堆疊結構。凝膠的高粘度以及多層堆疊器件的易損傷性，對制備出高性能柔性超級電容器依舊是一個很大的挑戰。
近日，中科院馬衍偉研究組制備出了具有高面積比容量、優異充放電循環性能的新型固態柔性超級電容器。該研究團隊設計將柔性超級電容器的關鍵成分，電極-電解質-電極層集成于單個柔性水凝膠薄膜上，形成一體化（All-in-one）的新型器件結構，有效的解決了凝膠電解質離子在較厚電極層內部的擴散等問題。
相關研究結果發表于國際材料學期刊Adv. Mater 2015, doi:10.1002/ adma.201503543，并已申請了國家發明專利。
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本刊作者：國內材料周報小組 任文錦、唐杏。
材料牛編輯整理。
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