帶你一起進入多姿多彩的陶瓷世界——頂刊陶瓷材料進展速遞

陶瓷材料是指用天然或合成化合物經過成形和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料。而新型陶瓷材料在性能上有其獨特的優越性，在熱和機械性能方面，有耐高溫、隔熱、高硬度、耐磨耗等；在電性能方面有絕緣性、壓電性、半導體性、磁性等；在化學方面有催化、耐腐蝕、吸附等功能；在生物方面，具有一定生物相容性能，可作為生物結構材料等。但也有它的缺點，如脆性。因此研究開發新型功能陶瓷是材料科學中的一個重要領域。那陶瓷材料近期發展如何，讓我們一起領略一下陶瓷的魅力。

1. 意大利微電子和微系統研究所Laura Silvestroni（Composites Part B: Engineering）：從多尺度長度微結構方法設計超高溫陶瓷納米復合材料

超高溫陶瓷 (UHTC) 材料因其潛在的非凡性能而備受關注。能夠在非常高的溫度下長時間運行的能力將研究推向具有不斷提高的性能的材料工程，這些材料具有不斷挑戰的特性組合。在所有UHTC中，以二硼化鋯ZrB₂為基礎的UHTC得到了最多的研究，闡明了加工、微觀結構和性能之間的關系。這些陶瓷表現出良好的性能組合，包括與Hf化合物相比有較低的密度(6.08 g/cm³)，具有高熔點 (3250 °C)、高導熱性(60–130 W/mK)、高導電性和良好的高溫強度。

意大利微電子和微系統研究所Laura Silvestroni研究了(Zr,Ta)B₂固溶體的多尺度微觀結構隨時間和溫度的變化。該陶瓷是通過熱壓ZrB₂與15 vol% TaSi₂的混合物制成的，然后在2100℃下退火。過飽和固溶體的形成導致TaC納米針在微米級硼化物晶粒基質內沉淀。相穩定性圖用于定義燒結室內的分壓條件，該分壓條件促使金屬或碳化物形式的納米夾雜物沉淀。由于多尺度微觀結構排列，強度峰值在1800℃下達到1GPa，在1900℃時強度仍保持在400-600 MPa。本文使用的簡單加工路線促進了硼化物晶粒中納米夾雜物的沉淀，并導致形成復雜的分層微觀結構，其中幾個層次的空間變化協同促進了升溫強化。

參考文獻：Gilli, N.; ?Watts, J.; ?Fahrenholtz, W. G.; ?Sciti, D.; Silvestroni, L., Design of ultra-high temperature ceramic nano-composites from multi-scale length microstructure approach. Composites Part B: Engineering 2021.

2. 南京工業大學張廣儒（Journal of Membrane Science）：介質阻擋放電等離子體與透氧膜耦合實現高效低溫滲透

透氧膜(OPM)因其在氧氣分離和能量轉換應用方面的巨大潛力而備受關注。限制其發展的關鍵問題是高工作溫度。因為高工作溫度會導致高系統成本和高性能退化率及其其他問題包括緩慢的啟動和關閉周期。此外，高溫蠕變變形、熱沖擊、陽離子偏析和密封失效對于這些脆性陶瓷OPM是致命的。而低溫OPM可以有效地解決上述問題，并且通過使用低成本材料和互連來實現植物平衡，具有降低成本的潛力。

南京工業大學張廣儒提出了一種將OPM La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ與介質阻擋放電等離子體（一種大氣壓非熱等離子體）耦合的新設計，用于高效低溫 (600℃)氧氣滲透。該研究表明等離子體可以激活表面交換反應。應用15W空氣等離子體可以有效地將滲透過程的表觀活化能從136.6降低到43.1kJ mol^-1。氧通量在600℃時增加近30倍，等離子體功率為15 W。新開發的等離子膜微反應器設計可在較低的工作溫度下進一步提高性能，并與固體氧化物燃料電池、催化膜反應器和透氧膜。

參考文獻：Zheng, Q.; ?Xie, Y.; ?Tan, J.; ?Xu, Z.; ?Luo, P.; ?Wang, T.; ?Liu, Z.; ?Liu, F.; ?Zhang, K.; ?Fang, Z.; ?Zhang, G.; Jin, W., Coupling of dielectric barrier discharge plasma with oxygen permeable membrane for high efficient low-temperature permeation. Journal of Membrane Science 2021.

3. 韓國明知大學Jong-Sung Park（Journal of Power Source）：氧還原和水合對碳氫燃料質子陶瓷燃料電池性能的影響

在質子陶瓷燃料電池(PCFC)中，質子通過質子導電氧化物的電解質從陽極傳送到陰極，而在傳統的固體氧化物燃料電池中，氧離子通過氧導電氧化物的電解質從陰極傳送到陽極，質子在低溫下比氧離子更容易運輸。據報道，除了在低溫下具有更高的離子電導率外，PCFC在碳氫燃料方面優于氧離子傳導燃料電池，因為它們具有更高的抗碳結焦能力。質子在PCFC的陰極與氧反應形成H₂O，這涉及幾個基本反應，如質子擴散、氧分子解離和氧還原形成氧離子或羥基離子。因此，可以傳輸質子、氧離子和電子的三重導電氧化物 (TCO) 是很有前景的正極材料。

韓國明知大學Jong-Sung Park研究了三種不同的材料，即BLFZ、BSCF和(La_0.8Sr_0.2)CoO₃(LSC) 作為正極材料。研究氧還原反應(ORR) 和水合對質子陶瓷燃料電池的燃料電池性能的影響. BLFZ在這三種材料中表現出最高的水合度，在氫燃料中表現出最好的電極性能，盡管與BSCF和LSC相比，BLFZ的ORR活性較差。當在BLFZ復合陰極中加入LSC以提高ORR活性時，H₂燃料中的電極性能略有改善，但CH₄燃料中的電極性能顯著提高，從而在600 °C時導致功率密度從0.48提高到0.72W/cm²。通過分析弛豫時間分布，ORR和陰極水合反應對H₂和CH₄性能的貢獻燃料單獨研究。結果表明，通過將ORR催化劑滲透到具有高水合度的正極材料中，可以同時優化 ORR 活性和水合反應。

參考文獻：Kim, S. K.; ?Hwang, S. H.; ?Nam, J.-T.; Park, J.-S., Effects of oxygen reduction and hydration on performance of protonic ceramic fuel cells in hydrocarbon fuels. Journal of Power Sources 2021, 513.

4. 聊城大學郝繼功（Chemical Engineering Journal）：通過化學改性和缺陷化學的協同作用在SrTiO₃基陶瓷中實現高儲能性能和超快放電速度

近幾十年來，全球能源消耗迅速增加，因此尋找和開發性能優良的環保儲能裝置成為當前的研究熱點之一。近年來，介電陶瓷電容器因其在醫療設備、電子設備、高/脈沖電力電子系統等方面的巨大應用前景而受到廣泛關注。它們表現出高儲能效率、長存儲壽命和快速充電/放電速度。然而，與其他電化學儲能系統相比，如超級電容器和電池相比，介電陶瓷電容器具有較低的能量密度和較小的總能量存儲量。因此，目前廣泛的研究工作投入到提高基于這些能量存儲設備的電子設備的集成、緊湊和小型化的能量密度。SrTiO₃基陶瓷具有相對高的介電常數和高擊穿強度（BDS）。但是該系統中的低極化強度通常會產生低能量存儲密度。

聊城大學郝繼功介紹了由(Sr1_{- x - y - φ}?Na_yBi_x□_φ)TiO₃組成的SrTiO₃基陶瓷的高儲能性能（縮寫為z SNBT，其中 x=0.2+0.3z, y= 0.5z , φ = 0.1–0.1z, 和z= 0.8–0.1; □代表Sr空位是利用化學修飾和缺陷化學的協同效應實現的。隨著z值的降低，zSNBT陶瓷的鐵電宏觀疇消失，這是由于原始的順電SrTiO₃的影響，顯著提高了BDS和儲能性能。當z= 0.2時，材料表現出具有幾乎無滯后的PE回路的單立方相結構。當最大BDS達到390kV/cm，可回收儲能密度(Wrec)為3.94J/cm3，儲能效率(η)為94.71%。同時，0.2SNBT陶瓷在20-160°C的溫度范圍內表現出良好的熱穩定性和令人滿意的循環穩定性。此外，0.3SNBT 陶瓷在20–180 °C的溫度范圍內表現出出色的熱穩定性和超快的放電速度 ( t 0.9 ≤ 26 ns)。此外，建立了包含晶粒和晶界的模擬模型來解釋增強的BDS和儲能性能。具有許多晶界的細而均勻的晶粒顯著阻礙了擊穿裂紋的傳播，從而產生了更高的BDS值。這些結果表明zSNBT陶瓷是用于脈沖電力電容器應用的有前途的環保材料。

參考文獻：Liu, L.; ?Chu, B.; ?Li, P.; ?Fu, P.; ?Du, J.; ?Hao, J.; ?Li, W.; Zeng, H., Achieving high energy storage performance and ultrafast discharge speed in SrTiO₃-based ceramics via a synergistic effect of chemical modification and defect chemistry. Chemical Engineering Journal 2021.

5. 合肥工業大學左如忠（Chemical Engineering Journal）：NaNbO₃-CaTiO₃無鉛弛豫反鐵電陶瓷具有巨大的能量密度、高能效和功率密度

陶瓷基介電電容器由于其快速充電/放電速率、高功率密度和優異的熱穩定性，在大功率電子系統中的應用越來越受到關注。由于電場誘導的可逆反鐵電(AFE)-鐵電(FE)相變，AFE 陶瓷表現出獨特的雙極化與電場( PE )磁滯回線，并具有大的極化差ΔP (= P_max– P_r, P_max：最大極化，P_r：殘留極化），與線性電介質和弛豫FE陶瓷相比時，表現出了能量存儲密度明顯的優勢。然而，來自AFE-FE相變的大極化滯后使得普通AFE陶瓷通常表現出相對較低的儲能效率 ( η )。最近，在普通AFE中引入介電弛豫特性已被證明是提高儲能性能的有效方法。

合肥工業大學左如忠研究了(1-x)NN-xCaTiO₃((1-x)NN-xCT)固溶體中松弛型AFE正交晶r相陶瓷的綜合儲能性能，其W_rec=6.6 J/cm³，能量效率η=80%，和超高功率密度PD = 350 MW/cm³?×≥0.14。通過拉曼光譜、拉曼映射和透射電子顯微鏡的結果表明，與許多其他復雜鈣鈦礦相比，在神經網絡中引入CT將適度增強局部結構的不均勻性，從而有利于隨著CT含量的增加從AFE微疇逐漸轉變為AFE納米疇。這允許在相對高的電場下達到極化飽和。特別重要的是，NN和 CT 的高帶隙、細化的晶粒尺寸和抑制的介電損耗使介電擊穿強度明顯增強。因此，不同因素之間的適當平衡，可以使AFE R相區域的整體儲能性能得到明顯改善。上述結果表明，局部結構工程在實現納米網絡無鉛弛豫AFE陶瓷優異的儲能性能方面起著至關重要的作用。

參考文獻：Xie, A.; ?Fu, J.; ?Zuo, R.; ?Zhou, C.; ?Qiao, Z.; ?Li, T.; Zhang, S., NaNbO₃-CaTiO₃?lead-free relaxor antiferroelectric ceramics featuring giant energy density, high energy efficiency and power density. Chemical Engineering Journal 2022, 429.

6. 北京理工大學何汝杰（Additive Manufacturing）：具有可編程熱膨脹的 3D 結構陶瓷超材料的設計和增材制造

具有多種各向異性特性的超材料，包括負泊松比、負熱膨脹、負模量、高強度和剛度和雙負聲學特性 , 在醫學、軍事和土木工程應用中具有強大的潛力。具有零或負熱膨脹行為的超材料最近引起了相當大的關注。然而，這些超材料通常是基于聚合物或金屬設計的，它們不能在非常高的溫度下工作，特別是對于航空航天應用。因此，有必要開發具有可控熱膨脹行為的超材料，可以在高溫或大溫度變化下工作。幸運的是，陶瓷超材料可以滿足高溫和大溫變環境的要求。

北京理工大學何汝杰設計、制造和表征了具有可編程熱膨脹的 3D架構陶瓷超材料，可用于高溫或大溫度范圍環境。首先，基于ZrO₂和Al₂O₃提出并設計了三種具有可編程熱膨脹行為的多陶瓷四棱錐結構超材料陶瓷。分析了熱膨脹的設計機理和可編程范圍。然后，通過立體光刻增材制造設計和制造具有負(-10×10^-6?/ ℃)、零(0×10^?-6?/℃) 和正(+10×10^?-6?/℃)的3D結構陶瓷超材料的。使用數字圖像相關 (DIC) 方法分析制造的具有可編程熱膨脹行為的3D 架構多陶瓷超材料。結果表明，實驗測量值與理論值吻合良好。所獲得的研究結果為3D架構的多陶瓷超材料的應用鋪平了道路。

參考文獻：Zhang, K.; ?Wang, K.; ?Chen, J.; ?Wei, K.; ?Liang, B.; He, R., Design and additive manufacturing of 3D-architected ceramic metamaterials with programmable thermal expansion. Additive Manufacturing 2021.

7. 美國愛達荷國家實驗室Dong Ding（ACS Catalysis）：在質子陶瓷電化學電池中，在550℃以下以電化學方式將乙烷高效轉化為乙烯和氫氣

在石化行業的關鍵組成部分中，乙烯的需求是無與倫比的，全球每年的產量超過1.43億噸。生產乙烯的傳統蒸汽裂解工藝是化工行業中最耗能的工藝，估計占生產成本的60%。由于操作溫度和能源效率是天然氣(NG)升級以及相關制造過程中最受考慮的因素，因此通過活化乙烷或石腦油生產的理想替代乙烯生產工藝應該能夠在比傳統工藝更低的溫度下運行。可用作燃料電池(SOFC)的固體氧化物電化學電池(SOC)，電解槽（SOEC），和膜反應器(SO-EMR)是更有效的乙烯生產的有前途的替代品。質子陶瓷電化學電池 (PCEC)，即使用質子傳導電解質的SOC，已用于電力到化學/燃料的轉換。

美國愛達荷國家實驗室Dong Ding報道了一種電化學工程乙烷直接轉化制氫和乙烯的工藝，該工藝采用平面質子陶瓷膜反應器和雙功能三維催化電極。采用Aspen Plus軟件進行綜合工藝模擬，與工業乙烷蒸汽裂解工藝相比，該方法可節約工藝能量投入45.1%，提高工藝能量效率50.6%。此外，固體氧化物電解槽模式下的蒸汽電解處理可再生系統的催化性能，顯著降低催化降解74%，技術經濟可行性高。突出了PtGa-ZSM-5催化劑的創新以及帶有新型3D陶瓷紡織陽極的催化劑集成質子電化學電池系統，從而實現了高效的乙烯生產和系統的耐用性。

參考文獻：Wu, W.; ?Wang, L.-C.; ?Hu, H.; ?Bian, W.; ?Gomez, J. Y.; ?Orme, C. J.; ?Ding, H.; ?Dong, Y.; ?He, T.; ?Li, J.; Ding, D., Electrochemically Engineered, Highly Energy-Efficient Conversion of Ethane to Ethylene and Hydrogen below 550℃ in a Protonic Ceramic Electrochemical Cell. ACS Catalysis 2021, 12194-12202.

8. 南京航空航天大學王婧（Energy Storage Materials）：通過域工程在無鉛弛豫反鐵電陶瓷中實現超高能量存儲密度

隨著對可再生能源需求的增加以及對環境問題的日益關注，高性能、環保的儲能材料在世界范圍內激發了越來越多的研究興趣。目前，儲能材料主要包括介電電容器、超級電容器、電池、固體燃料電池等。特別是，介電電容器顯示出超快充放電速率（~ns）和超高功率密度（高達10⁸W kg^?-1)，因此在混合動力電動汽車、電磁發射平臺、電磁炮等大功率和/或脈沖電源系統中具有廣闊的應用前景。如今，用于儲能應用的介電電容器可分為陶瓷、聚合物、陶瓷/聚合物復合材料和薄膜。開發具有超高W_rec?(> 10 J cm^-3?) 的新型陶瓷電容器對于下一代高功率和/或脈沖功率器件至關重要。

南京航空航天大學王婧系統研究了NaNbO₃-BiFeO₃二元固溶體[表示為(1-x)NN-xBF]。通過在NaNbO₃基體中引入Bi³⁺和Fe³⁺，使其具有穩定的反鐵電相和增強的弛豫體行為，從而構建了弛豫體反鐵電陶瓷。特別重要的是，由于晶粒尺寸減小，介電常數適中，介電損耗低，晶界電阻率提高，0.90NN-0.10BF陶瓷獲得了99.5 kV mm^-1的極大Eb。結果，在0.90NN-0.10BF陶瓷上獲得了18.5 J cm ^-3的超高W_rec，以及極好的頻率(1 Hz?150 Hz)，循環(1⁰?10⁶)和熱穩定性(30?110 C)的W_rec和η。此外，x = 0.10表現出優越的充放電性能，電流密度CD較大，max (2140.6 A cm^-2)，功率密度P_D，max?(428.1 MW cm^-3)，放電速率超快(14 ns)。所有這些結果表明，NaNbO₃-BiFeO₃陶瓷是下一代大功率和/或脈沖功率器件中無鉛儲能電容器的有前途的選擇。

參考文獻：Jiang, J.; ?Meng, X.; ?Li, L.; ?Guo, S.; ?Huang, M.; ?Zhang, J.; ?Wang, J.; ?Hao, X.; ?Zhu, H.; Zhang, S.-T., Ultrahigh energy storage density in lead-free relaxor antiferroelectric ceramics via domain engineering. Energy Storage Materials 2021.

9. 法國里昂大學Stephane Parol（Small）：通過雙光子光刻技術對光學 ZrO₂納米結構進行3D 打印和熱解：減少納米粒子種子介導的收縮和結晶

用于制造和生產微米尺寸物體的一套技術，通常被稱為微加工，是許多行業的關鍵，例如微電子、電信、國防、微流體以及生物應用。制作此類物體的技術多種多樣，但傳統上基于涉及使用模具或掩模的線性圖案化。電子束光刻(EBL)主要用于原型制作或制作用于復制的模具。現在需要在亞微米尺度上直接3D制造具有復雜形狀的樣品的創新工藝。

法國里昂大學Stephane Parol研究了第一種光樹脂，基于丙烯酸酯，包括鋯并與雙光子光刻兼容。除了單體和光引發劑之外，還使用了具有直接連接到丙烯酸酯官能團的Zr原子的商業前體。在第一種基于丙烯酸酯的鋯光樹脂中加入超小氧化鋯納米粒子(NPs)提出了第二種光樹脂。納米顆粒的小尺寸和表面狀態的控制導致穩定且無光散射的樹脂，其可以用雙光子光刻進一步圖案化。描述了它們的配方的優化，以及它們在雙光子光聚合后的特性，即結構分辨率、機械響應和光學特性。通過比較雙光子光刻獲得的3D微觀結構和兩種樹脂的脫脂，證明了NP基樹脂在控制熱解過程中的重要性。通過基于具有0.1 μm線寬的高衍射微網格的微透鏡陣列的制造和表征，展示了一個具有亞波長結構的光學應用示例。

參考文獻：Desponds, A.; ?Banyasz, A.; ?Chateau, D.; ?Tellal, A.; ?Venier, A.; ?Meille, S.; ?Montagnac, G.; ?Chevalier, J.; ?Andraud, C.; ?Baldeck, P. L.; Parola, S., 3D Printing and Pyrolysis of Optical ZrO₂?Nanostructures by Two-Photon Lithography: Reduced Shrinkage and Crystallization Mediated by Nanoparticles Seeds. Small 2021, e2102486.

10. 天津工業大學鄧南平（Energy Storage Materials）：基于核殼結構納米纖維-陶瓷納米線的高鋰遷移數復合電解質用于高性能全固態鋰金屬電池

目前，清潔能源成為全球化石能源的重中之重。大多數研究人員將研究目標定為如何建立清潔高效的能源系統。在眾多清潔能源中，鋰離子電池由于其電壓高、能量密度高、循環壽命長和電化學窗口寬等優點，已成為廣泛使用的儲能裝置。然而，傳統鋰電池由于使用液態電解液，不可避免地存在嚴重的安全隱患。相比之下，全固態鋰電池由于具有顯著的安全性和高能量密度優勢，已成為未來發展鋰電池最有前途的方法之一。

天津工業大學鄧南平在這項工作中，具有核殼結構的新型聚偏二氟乙烯（PVDF）-聚（環氧乙烷）（PEO）復合鋰離子導體納米纖維膜和具有氧空位的低成本摻釓CeO₂（GDC）陶瓷納米線是同時引入聚合物電解質得到復合電解質。復合納米纖維中的芯層PVDF和殼層PEO可以增強機械強度，并分別為鋰離子提供三維有序傳輸通道。此外，GDC納米線可以進一步為鋰離子提供長距離有序的傳輸通道。優化后的復合電解質在30℃下具有2.3×10 -4 S cm^-1的高離子電導率、0.64的快速 Li⁺遷移數和高達10.8 MPa的高機械強度。此外，該復合電解質與鋰金屬負極、LiFePO₄正極和高壓LiNi_0.8Mn_0.1顯示出優異的相容性Co_0.1O₂?(NMC) 陰極。組裝的鋰對稱電池可以在0.1、0.2和0.4 mAh cm^-2不同容量的大電流密度下穩定循環，并且Li/NMC電池在0.5 C下循環250次庫侖效率始終保持在99.2%左右。這項工作表明，該新型電解質在下一代全固態鋰金屬電池中具有良好的應用前景。

參考文獻：Gao, L.; ?Luo, S.; ?Li, J.; ?Cheng, B.; ?Kang, W.; Deng, N., Core-shell structure nanofibers-ceramic nanowires based composite electrolytes with high Li transference number for high-performance all-solid-state lithium metal batteries. Energy Storage Materials 2021, 43, 266-274.

11. 西安建筑科技大學劉嘉棟（Chemical Engineering Journal）：Cu-Mn-Ce氧化物在VOCs微波催化燃燒介孔陶瓷基催化劑中的協同作用機理

揮發性有機化合物（VOCs）是常見的空氣污染物，包括甲苯、乙酸乙酯、丙酮等，已知對人體健康有害。接觸高濃度的 VOC 可能會導致意識模糊和頭暈等癥狀。乙酸乙酯作為最穩定的揮發性有機氣體之一，與甲苯、丙酮一起被廣泛應用于工業生產，并在印刷生產過程中用作溶劑。由于工業生產中不可避免地排放VOCs，會導致霧霾的形成，這已經引起了發展中國家的關注. 因此，有效去除VOCs是大氣污染治理中最重要的目標之一。

西安建筑科技大學劉嘉棟采用浸漬法在陶瓷基體上制備了不同孔徑分布的Cu-Mn-Ce介孔催化劑。研究了不同催化劑在微波催化燃燒下揮發性有機物（VOCs）（甲苯、乙酸乙酯、丙酮及其混合物）的降解過程，確定了Cu-Mn-Ce物質在催化過程中的協同作用機理。在微波功率300 W、氣體流速200 ml min^-1條件下，甲苯（810.38 ±24.05 mg m^-3）、乙酸乙酯（759.55±12.84 mg m^-3）和丙酮的TVOC去除率(795.35±42.76 mg m^-3)分別為93.09%、85.41%和97.14%，去除效率幾乎可以達到100%。10個循環（2100分鐘）后，Cu-Mn-Ce介孔催化劑仍具有吸附和過濾效果，最佳催化劑表現出優異的穩定性，混合TVOC去除率為91.40%。Cu-Mn-Ce介孔陶瓷基催化劑催化性能高的原因包括：1)催化劑高度分散在介孔載體上，進一步促進了催化劑的分散。2）復合金屬氧化物在協同過程中可以有效地相互反應。3）復合金屬氧化物催化劑增加了Oβ并降低了Oγ相互配合后。4) 金屬氧化物協同作用后氫還原溫度明顯降低。5）復合催化劑可以協同作用，有效地保持催化劑表面的不成對電子，并取代內部結構元素，從而形成各種缺陷。微量殘留有機物對環境的危害較小。

參考文獻：Feng, S.; ?Liu, J.; Gao, B., Synergistic mechanism of Cu-Mn-Ce oxides in mesoporous ceramic base catalyst for VOCs microwave catalytic combustion. Chemical Engineering Journal 2022, 429.

12. 廣西大學羅能能（Chemical Engineering Journal）：通過引入用于脈沖電容器應用的Sr₇Bi_0.2TiO₃顯著提高Bi_0.47Na_0.47Ba_0.06TiO₃-CaHfO₃陶瓷的儲能性能

如果儲能技術的進步不隨著時間的推移而進步，那么對能源的日益增長的需求可能會阻礙社會的進步。事實上，隨著功率脈沖技術在工業、軍事、民用等領域的應用日益廣泛，以及電動汽車行業的快速發展，對介質電容器的需求不斷增加. 因此，開發高性能、環保的儲能電介質已成為當務之急。

廣西大學羅能能設計并制備了一種新型無鉛(1-x)(0.94Bi_0.47Na_0.47Ba_0.06TiO₃-0.06CaHfO₃)-xBi_0.2Sr_0.7TiO₃弛豫鐵電體陶瓷。Bi_0.2Sr_0.7TiO₃的摻雜進一步細化了亞微米晶粒并有助于獲得更寬的帶隙。此外，由于大量隨機分布的納米級極性域，即使在高電場下，陶瓷也表現出幾乎沒有滯后的極化響應。x=0.4的陶瓷 表現出優異的綜合儲能性能，W_?rec為6.19 J/cm³，η為93.5%。同樣，另一個x=0.45的陶瓷還獲得了相當大的儲能特性，具有94.5%的超高η和W_?rec為6.02 J/cm³。此外，x=0.4的陶瓷 還表現出顯著的寬頻率（1-200 Hz）和寬溫度范圍（20-140 °C）穩定性。在脈沖充電測試中，x=0.4陶瓷在340 kV/cm下表現出5.07 J/cm³的大放電能量密度和相當大的放電速率。這些都表明該工作為設計綜合性能優異的應用型介電電容器提供了實用有效的思路。

參考文獻：Luo, C.; ?Wei, Y.; ?Feng, Q.; ?Wang, M.; ?Luo, N.; ?Yuan, C.; ?Zhou, C.; ?Fujita, T.; Xu, J., Significantly enhanced energy-storage properties of Bi_0.47Na_0.47Ba_0.06TiO₃-CaHfO₃?ceramics by introducing Sr_0.7Bi_0.2TiO₃?for pulse capacitor application. Chemical Engineering Journal 2022, 429.

13. 北京科技大學李建玲（ACS Applied Materials & Interfaces）：Li₄La₃Zr_1.6Ta_0.6O₁₂@La₂Sn₂O₇與正極轉移印刷技術的界面改進及優異電化學性能的固態鋰電池

鋰離子電池是便攜式設備和電動汽車的重要組成部分，在能量存儲和轉換方面發揮著非常重要的作用。與液態電解質鋰離子系統相比，使用鋰金屬負極的固態電池有可能實現更好的性能（比能量> 500W h kg^–1和能量密度>1500 Wh L^–1）、安全性,可恢復性，并可能降低成本<$100 kW h^?–1）。固態電解質是固態電池最重要的組成部分，因此開發性能優異的固態電解質是實現固態電池的關鍵。全固態鋰電池（ASSLB）因其優越的安全性和潛在的高能量密度而被視為下一代儲能設備。在ASSLB中，復合固體電解質是最具競爭力的候選者。正極與復合電解質的界面、陶瓷與聚合物的界面是影響固態電池性能的重要因素。

北京科技大學李建玲在Li_6.4La₃Zr_1.6Ta_0.6O₁₂上合成了一種新型的原位LSO涂層(LLZTO) 表面作為PVDF基復合電解質的改性活性填料。新開發的改性陶瓷材料極大地促進了鋰離子遷移能力。通過對超離子導體表面進行改性，降低了陽離子從超離子導體材料到聚合物的能壘，顯著提高了復合電解質的離子電導率。復合電解質的轉移次數大大增加。此外，將正極材料直接轉移到復合固體電解質上以優化正極和電解質之間的界面。固態電池的倍率性能和循環性能也得到了提高。

參考文獻：Liu, H.; ?Li, J.; ?Feng, W.; Kang, F., Interface Improvement of?Li_6.4La₃Zr_1.6Ta_0.6O₁₂@La₂Sn₂O₇ and Cathode Transfer Printing Technology with Splendid Electrochemical Performance for Solid-State Lithium Batteries. ACS Appl Mater Interfaces 2021, 13 (33), 39414-39423.

14. 陜西科技大學楊海波（Chemical Engineering Journal）：Bi(Zn_2/3(Nb₈₅Ta_0.15) _1/3)O₃改性K_0.5Na_0.5NbO₃基陶瓷的儲能性能

便攜式電子產品的普及導致儲能系統（包含電化學和介電電容器以及各種電池）朝著更高功率和儲能密度的方向發展。與電池和電化學電容器類似，電介質電容器的優勢（包括超高功率密度（~10 8 W/kg）、快速充電/放電時間（<1μs）和出色的溫度穩定性）使其非常適合高級脈沖電源系統。然而，介質電容器的儲能性能比電池差。盡管據報道鉛基陶瓷具有最佳的儲能性能，但由于環境問題的日益增加，無鉛替代品更耐用。K_0.5Na_0.5NbO₃(KNN) 陶瓷材料因其高介電常數、優異的壓電性能、高居里溫度和可持續性而被認為是無鉛陶瓷的良好替代品。

陜西科技大學楊海波提出了一種誘導極性納米區域和提高擊穿強度（BDS）的組合優化策略，以提高KNN基陶瓷的儲能性能。結果，對于Bi(Zn_2/3(Nb_0.85Ta_0.15) _1/3)O₃，獲得了7.4 J·cm^-3的高可恢復儲能密度 ( W rec ) 這主要是由于其BDS增強所致，此外，0.90KNN-0.10BZNT陶瓷在較寬的溫度范圍(20-180°C)獲得了顯著的溫度穩定性。值得注意的是，一階反轉曲線（FORC）證實了 0.90KNN-0.10BZNT 陶瓷的優異儲能性能，將其歸因于其增強的弛豫行為。此外，0.90KNN-0.10BZNT材料表現出優異的脈沖充放電特性，即高功率密度（184.84 MW·cm^-3）和快速放電時間（46.3 ns）。研究結果證明了一種提高介電陶瓷儲能性能的新策略。該策略可用于為各種應用設計其他或類似的材料。

參考文獻：Zhang, M.; ?Yang, H.; ?Yu, Y.; Lin, Y., Energy storage performance of K_0.5Na_0.5NbO₃-based ceramics modified by Bi(Zn_2/3(Nb_0.85Ta_0.15) _1/3)O₃. Chemical Engineering Journal 2021, 425.

15. 南京工業大學邵宗平（Advanced Energy Materials）：納米復合材料：為可逆質子陶瓷電池開發高活性和耐用的雙功能空氣電極的新機遇

工業化帶來的全球人口快速增長和經濟進步對全球氣候造成了重大破壞。太陽能和風能等可再生能源預計將有助于實現可持續的全球電力供應，同時對抗環境污染。但是這些可再生能源是不可調度的，不能滿足瞬時需求。因此，需要能量存儲設備來緩沖電力生產。可逆質子陶瓷電池(RePCCs)可以通過在電網層面提供高效、可擴展和燃料靈活的能源生產和存儲，促進全球向可再生能源的過渡。然而，RePCC 技術受到缺乏對氧還原/析出反應和水形成/水分解反應具有高活性的耐用空氣電極材料的限制。

南京工業大學邵宗平合成了一種表面富含CeO₂和NiO納米粒子的由四方和Ruddlesden Popper (RP)鈣鈦礦相組成的納米復合電極。實驗和計算表明，RP相促進水化和質子轉移，而NiO和CeO₂納米顆粒促進O₂的表面交換和O^2-從表面轉移到主要鈣鈦礦。該復合材料還保證了快速(H⁺/O^2-/e^-)三導，從而促進了氧還原/析氧反應活性。在600℃下，在1.3V下，RePCC的峰值功率密度為531 mW cm^-2，電解電流為364 mA cm^-2，在550℃下，可實現120小時的可逆運行穩定性。

參考文獻：Song, Y.; ?Liu, J.; ?Wang, Y.; ?Guan, D.; ?Seong, A.; ?Liang, M.; ?Robson, M. J.; ?Xiong, X.; ?Zhang, Z.; ?Kim, G.; ?Shao, Z.; Ciucci, F., Nanocomposites: A New Opportunity for Developing Highly Active and Durable Bifunctional Air Electrodes for Reversible Protonic Ceramic Cells. Advanced Energy Materials 2021, 11 (36).

16. 葡萄牙波爾圖大學Vítor J.P. Vilar（Chemical Engineering Journal）：用連續石墨烯-TiO₂納米復合薄膜涂覆的新型陶瓷管狀膜，用于緩解 CECs。

城市污水處理廠(UWWTPs)是新出現污染物(CECs)(如藥物活性化合物、農藥、工業化學品等)、抗生素耐藥細菌(ARB)和抗生素耐藥基因(ARGs)釋放到水室的主要熱點。因此需要新的方法來減少進入環境的CECs&ARB&ARGs質量通量，提高水質量。

葡萄牙波爾圖大學Vítor J.P. Vilar提出了一種陶瓷管狀膜，該膜涂有連續的石墨烯-TiO₂納米復合薄膜，用于在單程流通操作中從合成和真實基質中去除新出現的污染物 (CEC)。使用兩種不同的方法用石墨烯 (G)-TiO₂-P25納米復合材料原位涂覆微濾陶瓷膜：膜類型 A - TiO₂-P25在G制備階段加入（1% [MA-1]，2% [MA-2]和3% [MA-3][w/v])，以及膜類型B-TiO₂-P25 薄膜均勻涂覆在G膜表面（涂層：3 [MB-1]、6 [MB-2]和9 [MB-3]）。在催化劑沉積之后和熱解步驟之前，將空氣通過膜孔（內外模式），以提供多孔膜。CECs 溶液（雙氯芬酸-DCF、17β-雌二醇-E2、17α-炔雌醇-EE2 和阿莫西林-AMX）使用超純水(UPW) 或二級處理 (UWW) 后的城市廢水制備，每個 CEC濃度為 500 μg L^-1。膜通過以下技術表征：掃描電子顯微鏡 (SEM)、原子力顯微鏡 (AFM)、傅立葉變換紅外光譜 (FTIR)、漫反射紫外-可見光譜 (DR UV-Vis) 和拉曼光譜。結果證明涂有MA-3 和MB-2 催化劑膜的膜在UVA光照射下表現出最高的CEC去除能力。此外，由于膜污染，在沒有UVA光的情況下，相對通量降低率 (RFR) 降低了約45%。過濾和氧化(G-TiO₂?-UVA)的組合提供了更高質量的滲透物并最大限度地減少了膜污染。盡管B型膜允許更高質量的滲透，但A型膜提供了更高的滲透通量。

參考文獻：Presumido, P. H.; ?Santos, L. F. d.; ?Neuparth, T.; ?Santos, M. M.; ?Feliciano, M.; ?Primo, A.; ?Garcia, H.; ?B- ?oli?, M.; Vilar, V. J. P., A Novel Ceramic Tubular Membrane Coated with a Continuous Graphene-TiO₂?Nanocomposite Thin-Film for CECs Mitigation. Chemical Engineering Journal 2021.

本文由春國供稿。

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