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《自然·通讯》刊发材料学院徐鸣团队碳管设计在低温储能应用的研究成果

发布时间:2020-12-08 编辑:潘庆玲 来源: 浏览次数:

122日,国际知名期刊《自然 通讯》刊发了碳纳米管结构设计在电化学储能领域的最新研究成果 “Maximizing ion accessibility in MXene-knotted carbon nanotube composite electrodes for high-rate electrochemical energy storage”。我校材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室徐鸣教授和美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授为共同通讯作者。材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室为第一完成单位及第一通讯单位。该研究得到国家自然科学基金(5157209551972127)、湖北省杰出青年基金(2018CFA049)、武汉市应用基础前沿专项(2018010401011282)、华中科技大学留学基金等多个基金的资助。

航空航天、极地等极端应用环境要求电化学储能器件可低温下高倍率运行。低温运行须使用有机电解液;有机电解液相比水系电解液具有更大的离子和更低的电导率,且有机电解液中离子的溶剂化壳层也比水电解液中的大。这些特性阻碍了储能过程中的电荷储存,降低了电极材料中的离子传输动力,限制了器件的高倍率性能,对实现低温电化学储能造成了巨大的障碍。

针对上述问题,研究者们通过碳纳米粗细管分步生长技术,制备了一种新型的绳结结构碳纳米管;其与二维Mxene复合时可抑制MXene的堆叠,最终制得具有三维开放式导电网络的电极结构。该电极结构最大程度地提高了电极中离子的传输能力,刷新了同类电极在离子液体有机体系中的倍率性能纪录,并实现了低温下(-60℃)的稳定运行。研究揭示了电极结构优化对离子传输能力的提升的重要性,提供了除低温电解液开发外实现低温储能器件运行的又一途径。该成果是将纳米碳材料结构设计理念拓展至能源材料制造领域的又一成功案例,对于未来低温高倍率电化学储能材料的发展具有重要的指导意义。

徐鸣,华中科技大学材料科学与工程学院教授,博士生导师,饭岛赏最年轻的获奖者,该奖项代表了世界范围碳纳米管应用研发的最高水平。曾入选国家海外高层次人才青年项目,一作及通讯作者论文包括ScienceNature Catalysis, Nature CommunicationsAdvanced MaterialsAdvanced Functional MaterialsJACSNano Letters等。研究成果获世界主流媒体(ABC News, 路透社,Discovery News)及顶级学术杂志(SCIENCE, Nature ChemistryAngew. Chem. Int. Ed.)广泛报道。


华中科技大学碳纳米材料课题组,成立于2013年,致力于碳纳米材料宏观结构构建及其极端环境性能研发,获批基金资助10余项。结合化学气相沉积、等离子体处理、分散、镀膜、微结构处理等多种技术,研究团队将一维、二维纳米材料如碳纳米管、石墨烯等,作为“Building Block(积木)”, 通过优化微观结构的搭建,提升其三维集合体的宏观性能, 并最终获得传统材料无法比拟的极端环境应用特性。

因极端环境应用的特殊性,常温环境中所使用的材料及工作机理在此环境下都面临失效难题。课题组研究人员通过对碳纳米材料的结构设计与可控制备,发展了适用于极端环境的工作机制,报道了可在-196~1000°C下服役的碳纳米管橡胶(Science, 2010, 330 (6009); Adv. Mater.,2011, 23 (32)Nano Lett., 2011, 11 (8)ACS Nano, 2012, 6 (7) )及碳纳米管干胶(Nat. Commun., 2016, 7, 13450)可直接服役于水下的压力传感器(Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004564)可在极地低温下服役的碳纳米基能量存储器件(Nat. Catal., 2019, 2 (3); Nano Energy, 2020, 1 (67); Small, 2018, 1802913(14); InfoMat, 2019, 1 (3))等一系列原创性成果并揭示了极端环境服役的关键科学问题。其中的 自发电型海啸预警传感器获日内瓦国际发明展最高奖项-评审团特别嘉许金奖(2019)。

论文原文:Gao, X., Du, X., Mathis, T.S. et al. Maximizing ion accessibility in MXene-knotted carbon nanotube composite electrodes for high-rate electrochemical energy storage. Nat Commun 11, 6160 (2020).


文章链接: https://www.nature.com/articles/s41467-020-19992-3

华中科技大学碳纳米材料课题组网页链接: https://www.nanocarbon-hust.cn/