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[材料资讯] 谷猛课题组在《能源环境科学》发表能源转化存储最新研究成果

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发表于 2019-9-25 08:42:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
材料科学与工程系(简称“材料系”)教授谷猛课题组积极结合应用冷冻电镜技术,在能源转化和能源存储领域取得了一系列创新性的研究成果。该研究成果聚焦改善日益严重的能源短缺问题,近期发表于国际著名学术期刊《能源环境科学》(Energy & Environmental Science)和《自然-通讯》(Nature Communications)上。


       低成本高效单原子催化剂的开发
       作为当前能源利用与转换中一个重大课题,探索低成本、高效的水裂解制氢反应电催化剂具有重要意义。目前,贵金属铂仍然是使用最频繁的催化剂,然而铂的高成本和有限的储量阻碍了铂基催化剂的大规模应用。因此,在不牺牲催化剂活性的前提下,降低催化剂中铂的用量是一个迫切的需求。
       具有独立催化位点的单原子催化剂为解决上述问题提供了一种新的途径。然而,苛刻的制备条件和过量的前体通常会导致团聚现象的产生,阻碍单原子催化剂的稳定性。
       针对这个问题,谷猛课题组首次提出了一种简便的制备方法,采用苯胺锚定和微波还原等技术手段,得到了完全分散在石墨烯上的铂原子位点。这些分散的铂原子位点最大限度地利用了铂的催化性能,从而大大降低了铂的用量,显著提高了铂的质量活性。实验结果表明,在铂的用量降低到商业铂碳催化剂的1/50的条件下,仍然能达到商业铂碳催化剂的性能。同时,苯胺锚定可以防止铂原子在催化过程中聚集,从而提高了催化剂的稳定性。
       在对铂单原子催化剂的研究中,采用普通的透射电镜对铂单原子进行观测时,铂单原子容易在电子束的轰击下脱落,进而造成样品的损坏。冷冻电镜为观测铂单原子提供了有利条件,保持了样品的完备性,使得观测工作能顺利展开。
       这项工作为开发单原子催化剂开辟了新的途径,同时促进了对单原子催化剂的催化性能新的认识。相关研究工作发表在Energy & Environmental Science(IF>30)上,并入选2019年期刊热点文章。
       此项工作由谷猛课题组和深圳大学刘建洪、加拿大孙学良教授课题组合作完成,以共同通讯作者身份发表。
       论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/ ... 02888e#!divAbstract


       新型高性能离子电解质的研究
       高能可充电电池系统已被广泛应用于便携式电子产品、电网储能和电动汽车工业,但是近年来,电池起火甚至爆炸的事故频繁发生。因此,在高能量下电池的安全性变得越来越重要。
       使用可燃有机电解质的可充电电池在发生短路或热失控时,总是有起火和爆炸的危险,这成为电池设计的瓶颈。设计具有更高安全性的下一代电池系统,要求在电解质本质上进行创新。开发本质上不易燃的新型电解质系统正符合这一要求。其中,室温离子液体(Ionic Liquids,ILs)由于其不易燃的特性,已被广泛地作为新型电解质的候选材料。
       谷猛课题组和斯坦福戴宏杰教授课题组设计并开发了一种基于氯化铝/1-甲基-3-乙基咪唑/氯化钠离子液体组成的氯铝酸盐离子液体电解质。以这种离子液体电解质为基础制得的可充电钠金属电池具有良好的性能,电池电压高达~ 4v,库仑效率高达99.9%,能量和功率密度分别为~ 420 Wh kg -1和~ 1766 W kg-1。经过700次循环后,电池仍保持了90%以上的原始容量。实验结果表明,这种不易燃、高导电性的离子液体电解质可以作为钠电池制备中的一种极具前途的候选材料。该材料具有高安全性和高性能,并有可能扩展到其他的可充电电池系统,如锂电池和钾电池等。


        冷冻电镜分析SEI膜的组成
        在液态离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体却是碱金属离子的优良导体,碱金属离子可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”(Solid Electrolyte Interphase),简称SEI膜。SEI 膜在稳定碱金属负极与电解质的界面方面起着至关重要的作用,其形成对电极材料的性能产生至关重要的影响。因此,深入研究SEI膜的形成机理、组成结构、稳定性及其影响因素,并进一步寻找改善SEI 膜性能的有效途径,一直都是世界电化学界研究的热点。

冷冻电镜分析SEI膜

冷冻电镜分析SEI膜
       在这项关于离子液体电解质的研究中,由于离子液体电解质的特殊组成,其SEI膜的化学性质可能与传统有机电解质不同。课题组利用冷冻电镜对离子液体电解质构成的电池体系中产生的SEI膜进行了深入分析。实验结果表明,在该离子液体电解质中反应得到的SEI膜由多种成分构成,其主要成分为NaCl、Al2O3和NaF。此研究结果对未来从电解液和SEI膜角度设计具有高安全性和高能量密度的实用钠金属电池具有重大的指导意义。
       此项工作由谷猛课题组和斯坦福大学戴宏杰实验室合作完成。研究成果近期在Nature Communications发表。
       论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11102-2


       冷冻电镜技术将带来更大的发展
       课题组此次的冷冻电镜技术研发工作由谷猛、课题组成员王琦和祝远民共同完成,也得到了皮米中心和冷冻电镜中心主任何佳清教授与王培毅教授的大力支持。
       冷冻电镜(Cryo-TEM)最早应用于生命科学领域,成为解析生物大分子三维结构的有力工具。随后,这项技术的应用被拓宽到新材料以及新能源等研究领域,其应用正式迎来了井喷式发展阶段。南方科技大学皮米电镜中心和冷冻电镜中心分别于2017年和2018年举行揭牌仪式,是目前我国配套最齐全、最先进的材料和冷冻电镜实验室之一。
        作为由南方科技大学牵头建设的重大基础科学设施公共平台,冷冻电镜中心在投入使用后不断发挥其对校内外重大科研基础研究的支撑作用,助推南科大、深圳市及粤港澳大湾区的生命科学、生物医药、新材料、新能源等领域的研究工作。


        能源存储,主要是指将电能通过一定的技术转化为化学能、势能、动能、电磁能等形态,使转化后能量具有空间上可转移(不依赖电网的传输)或时间上可转移或质量可控制的特点,可以在适当的时间、地点以适合用电需求的方式(功率、电压、交流或直流)释放,为电力系统、用电设施及设备长期或临时供电,如电池储能、飞轮储能、抽水蓄能、压缩空气储能等等。


        谷猛南方科技大学副教授。主要从事能源材料科学研究,研究领域包括动力电池储能材料,高性能全固态电池的合成和机理分析,工业催化剂,薄膜材料等几个方面。在博士期间,开展了多功能纳米薄膜/传感器合成和电镜表征,随后加入西北太平洋国家实验室开展锂离子电池的研发。随后加入国际知名的Dow Corning化学公司, 2015年荣获美国电镜学会Albert CREWE Award奖项。
        谷教授研究方向和领域以材料科学为核心,涉及能源存储材料的研究(锂离子电池、钠离子电池、固态电池、液流电池),利用生长多功能氧化物薄膜、三维立体电镜元素分析及原位透射电子显微镜技术,主攻能源材料的研发,取得了一系列创新性的研究成果。其中,高能富锂层状材料的研发、产业化大规模生产二维材料, 高性能介孔硅电极的研究及液体室原位电镜技术研究锂离子电池等独创性成果,解决了长期困扰该领域的瓶颈问题,为推动该领域的发展做出了突出贡献。谷教授发展改进了原位透射电子显微技术,使得在纳米、原子层次观察样品在电、力作用和液体环境下以及化学反应过程中的微观结构演化成为可能。通过研究物质在外界环境作用下的微观结构演化过程,揭示其原子结构与物理化学性质的相关性,指导其设计合成和微结构调控,促进新物质的探索和深层次物质结构研究,为解决材料科学中的具体问题提供了直接、准确和详细的方法。
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