電介質儲能、壓電催化(huà)、介電彈性體、多(duō)鐵材料等研究進展彙總

     高(gāo)性能介電電容器對(duì)于*電子和(hé)電力系統至關重要。聚合物(wù)介電材料由于具有高(gāo)介電常數、柔韌性好、低密度、易加工等優點，在介質電容器中得(de)到了(le)廣泛的(de)應用(yòng)。然而，如何同時(shí)提高(gāo)這(zhè)些介電聚合物(wù)的(de)能量密度和(hé)效率仍然是一個(gè)挑戰。近日，武漢理(lǐ)工大(dà)學張鑫研究員(yuán)與清華大(dà)學南(nán)策文院士等人(rén)合作，提出了(le)一種簡便和(hé)可(kě)擴展的(de)增材制造方法，通(tōng)過調節聚甲基丙烯酸甲酯組分(fēn)的(de)空間分(fēn)布，制備了(le)一種具有連續梯度結構的(de)鐵電聚偏二氟乙烯基全有機介電聚合物(wù)薄膜。在全有機介電聚合物(wù)薄膜中，連續的(de)面外組成梯度可(kě)以調節電學和(hé)力學行爲，從而通(tōng)過調節與局部電場(chǎng)和(hé)應力耦合相關的(de)機電擊穿過程，顯著提高(gāo)擊穿強度。在電場(chǎng)強度爲800 kV mm⁻¹時(shí)，梯度聚合物(wù)薄膜的(de)超高(gāo)放電能量密度爲38.8 J cm⁻³，放電效率爲>80%，這(zhè)是迄今爲止報道的(de)最高(gāo)能量密度。相關工作以“Ultrahigh Energy Density in Continuously Gradient-Structured All-Organic Dielectric Polymer Films"爲題發表在最新一期的(de)《Advanced Functional Materials》。

同濟大(dà)學AM：通(tōng)過無公度反鐵電相的(de)可(kě)調疇變特性實現高(gāo)儲能反鐵電陶瓷

近日，同濟大(dà)學翟繼衛教授課題組針對(duì)反鐵電無公度相進行調制，設計了(le)由La³⁺摻雜(zá)誘導的(de)室溫無公度反鐵電相，通(tōng)過少量添加Cd²⁺以增強燒結特性并優化(huà)微觀結構，制備了(le)高(gāo)性能(Pb_0.91-xCd_xLa_0.06)(Zr_0.6Sn_0.4)O₃反鐵電陶瓷。當Cd²⁺僅爲0.03時(shí)具有超高(gāo)儲能性能，870 kV·cm^-1高(gāo)場(chǎng)下(xià)，儲能密度W_rec高(gāo)達~19.3 J·cm^-3，儲能效率η保持在~91%。同時(shí)，放電能量密度可(kě)達~15.4 J·cm^-3。原位測試表明(míng)，PbZrO₃基反鐵電陶瓷優異的(de)儲能性能源于無公度反鐵電相到弛豫鐵電相的(de)特殊相變。該工作以"Tunable Domain Switching Features of the Incommensurate Antiferroelectric Ceramics Realizing Excellent Energy Storage Properties"爲題發表在 Advanced Materials 期刊上。

南(nán)昌大(dà)學國際有序物(wù)質科學研究院艾勇教授、熊仁根教授課題組：含鉻(Ⅱ)的(de)二維有機-無機雜(zá)化(huà)鈣钛礦多(duō)鐵材料

鈣钛礦材料由于其豐富的(de)電學、磁學、光(guāng)電學特性，在過去的(de)幾十年裏引起了(le)人(rén)們廣泛的(de)關注。其中，多(duō)鐵鈣钛礦具有多(duō)種鐵性（鐵電性、鐵彈性和(hé)鐵磁性），是一種重要的(de)電子材料，應用(yòng)領域十分(fēn)廣泛，包括非易失性存儲器、超聲波探測器、壓電傳感器和(hé)二階非線性開關等。以往多(duō)鐵材料的(de)研究以無機氧化(huà)物(wù)鈣钛礦爲主，如BiFeO₃、BiMnO₃和(hé)TbMnO₃等，這(zhè)類材料通(tōng)常具有鐵電性和(hé)鐵磁性的(de)特征。近年來(lái)，有機-無機雜(zá)化(huà)分(fēn)子基材料由于其結構可(kě)調性、薄膜器件易于制備和(hé)加工的(de)原因，被視爲傳統無機材料的(de)重要補充，受到了(le)國内外的(de)廣泛關注。近日，南(nán)昌大(dà)學國際有序物(wù)質科學研究院艾勇教授、熊仁根教授課題組報道了(le)含鉻(Ⅱ)的(de)二維有機-無機雜(zá)化(huà)鈣钛礦多(duō)鐵材料，即，[DFCBA]₂CrCl₄。研究表明(míng)，在387 K的(de)溫度下(xià)，[CrCl₆]八面體的(de)畸變和(hé)[DFCBA]⁺的(de)有序-無序運動觸發了(le)[DFCBA]₂CrCl₄的(de)順電-鐵電轉變；無機陰離子層中Cr²⁺離子之間的(de)鐵磁耦合使其在居裏溫度32.6 K下(xià)變爲鐵磁體。

西安交大(dà)張志成教授團隊Chem. Eng. J.：在介電彈性體類人(rén)工肌肉材料中取得(de)新進展

近日，西安交通(tōng)大(dà)學化(huà)學學院張志成教授團隊通(tōng)過對(duì)分(fēn)子結構設計，得(de)到了(le)具有較大(dà)介電常數（11.2）和(hé)高(gāo)擊穿場(chǎng)強的(de)新型聚氯乙烯基介電彈性體，實現了(le)低驅動電場(chǎng)下(xià)的(de)大(dà)應變（85 MV/m應變爲-38%）。在相同電場(chǎng)強度下(xià)，該材料與現有報道的(de)自支撐介電彈性體相比具有最大(dà)的(de)形變量。此外，通(tōng)過簡單工藝制備的(de)自支撐柔性驅動器在低驅動電壓（150 V）即可(kě)産生明(míng)顯形變。該研究成果以Dielectric Elastomer with Excellent Electromechanical Performance by Dipole Manipulation of Poly(vinyl chloride) for Artificial Muscles under Low Driving Voltage Application 爲題發表在Chem. Eng. J., 2022, 441, 13600上

浙大(dà)羅英武團隊ACS Materials Lett.：本征各向異性的(de)介電彈性體纖維驅動器

仿生的(de)人(rén)工肌肉驅動器已經受到了(le)廣泛的(de)關注。其中，介電彈性體驅動器由于其變形快(kuài)速且可(kě)尋址（獨立控制）的(de)特性，已成爲一種非常具有前景的(de)人(rén)工肌肉技術。生物(wù)肌肉由取向的(de)柔性驅動單元組成，因此可(kě)以産生具有方向性的(de)線性驅動行爲；而合成彈性體通(tōng)常是各向同性的(de)，因此單層的(de)介電彈性體驅動器通(tōng)常隻能輸出無方向性的(de)平面擴張變形，這(zhè)限制了(le)其實際應用(yòng)。針對(duì)這(zhè)一挑戰，浙江大(dà)學化(huà)工學院羅英武教授團隊使用(yòng)先前團隊報道的(de)“力熱(rè)訓練"手段（Mater. Horiz., 2021, 8, 2834; Nanoscale, 2020, 12, 7514.）制備了(le)本征各向異性的(de)三嵌段共聚物(wù)彈性體（SBAS）薄膜，并通(tōng)過卷繞法制備了(le)具有阿基米德螺旋多(duō)層結構的(de)介電彈性體纖維驅動器，利用(yòng)彈性體的(de)各向異性限制纖維驅動器的(de)徑向變形并增強其軸向變形。理(lǐ)論分(fēn)析和(hé)實驗結果均表明(míng)，适當的(de)正交模量比（~2.8）即可(kě)實現顯著增強的(de)方向性輸出：各向異性纖維驅動器在900 V的(de)電壓下(xià)可(kě)以實現6%的(de)線性軸向驅動變形，是各向同性纖維驅動器的(de)兩倍。由于SBAS的(de)自粘結性，各向異性驅動器可(kě)以組裝爲纖維束，這(zhè)使得(de)驅動器的(de)力可(kě)以得(de)到線性放大(dà)。更重要的(de)是，纖維束中單根纖維的(de)獨立且可(kě)編程的(de)控制可(kě)以實現伸長(cháng)、彎曲、旋轉等多(duō)種變形模式。

哈工大(dà)（深圳）李朝林(lín)、王文輝團隊ACB：壓電促進Bi2Fe4O9納米片活性位點（Fe2+）再生強化(huà)過硫酸鹽活化(huà)

近日，哈爾濱工業大(dà)學（深圳）李朝林(lín)、王文輝團隊在Applied catalysisB: Environmental上發表了(le)題爲“Piezo-promoted regeneration of Fe²⁺ boosts peroxydisulfate activation by Bi₂Fe₄O₉ nanosheets"的(de)研究論文(DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121330)。論文以鐵酸铋（Bi₂Fe₄O₉）壓電催化(huà)劑爲例，闡明(míng)了(le)壓電電子能有效促進壓電材料活性位點再生，進而強化(huà)過二硫酸鹽（PDS）活化(huà)性能的(de)機理(lǐ)。DFT計算(suàn)和(hé)實驗研究證實了(le)鐵酸铋納米片中Fe²⁺作爲活性位點爲PDS活化(huà)生成SO•− 4貢獻電子，同時(shí)壓電電子可(kě)以加速Fe²⁺的(de)再生，從而獲得(de)了(le)優異的(de)催化(huà)活性。這(zhè)項工作在原子尺度上提供了(le)壓電催化(huà)PDS活化(huà)機理(lǐ)的(de)認識，有望促進基于壓電催化(huà)的(de)高(gāo)級氧化(huà)工藝（AOPs）的(de)高(gāo)效發展。