科学研究

我校青年教师在材料学顶级杂志接连发表高水平论文

2024-04-29 09:59 文、图/电智学院 孙梓雄、韩庆鑫 点击:[]

近日,我校电子信息与人工智能学院青年教师孙梓雄博士与轻工科学与工程学院(柔性电子学院)青年教师韩庆鑫博士分别于4月11日与12日在材料领域顶级杂志Materials Horizons发最新研究成果,两篇论文的详细报道如下:

(a) P-E loops of BCZT-xBZT ceramics with corresponding energy storage performances; (b) Comparison of the Wrec and W/E ratio between BCZT-xBZT with x=0.15 and 0.17 in our work and some typical BZT-based ceramics

孙梓雄博士一直从事电介质功能材料与器件的研究工作。作为电介质电容器的常用材料体系,BaTiO3-BiMeO3(BT-BiMeO3)凭借其优异的能量存储特性在近年来受到广泛研究。在该体系中,Bi与Me一般分别进入BT的A位与B位形成固溶体并同时发生铁电-弛豫铁电相变(FE-to-RFE phase transition),其中Me为三价离子或等效三价离子。当下对该体系的研究大多集中于对BiMeO3的调控与优化,而对BT的改性少有报道(详见孙梓雄博士的前期综述论文https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201900698 )。作为BT的一种常见固溶体,Ba1-xCaxTi1-yZryO3 (BCZT) 凭借其成分与结构的高度可调性在氧化物功能材料领域始终占据着一席之地,其中Ca与Zr分别可以30%摩尔分数与任意比例的固溶极限进入BT的A位与B位并带来局域性的成分起伏、降低电畴翻转势垒、利好能量存储能力的提升。基于此,该研究以(1-x)Ba0.15Ca0.85Zr0.1Ti0.9O3-xBi(Zn2/3Ta1/3)O3(BCZT-xBZT)为研究对象,采用传统固相法成功制备出上述体系陶瓷。经测试与表征,发现当x=0.15时该体系拥有最高的储能密度(Wrec),且储能密度击穿场强比(用来表征单位场强下陶瓷所激发出的储能密度,即W/E)最大。不但表现出了优异的能量存储行为,而且在该过程中保证了极低的能量消耗,如图1。这一优异的性能主要归因于该组分极化强度的双重提升,即界面极化与偶极子极化。前者来源于p4mmpm3m两相界面处的晶格畸变;后者来源于BZT在固溶过程中产生的缺陷偶极子。上述工作以“Polarization double-enhancement strategy to achieve super low energy consumption with ultra-high energy storage capacity in BCZT-based relaxor ferroelectrics”为题已在线发表。全文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d4mh00322e 。本工作受到国家自然基金青年项目、微纳电子材料与器件湖北省重点实验室开放课题、轻化工助剂与化学教育部重点实验室开放课题的资助。合作单位包括陕西师范大学、西安交通大学、湖北大学、武汉纺织大学与荷兰特文特大学(University of Twente)。

CN/Cr2O3/Ru-X电催化剂的制备原理示意图及其在碱性(pH = 14)中的HER性能

韩庆鑫副教授为生物质与功能材料研究所(王学川教授科研团队)成员,长期从事生物质资源化利用及功能材料的研究。固体废弃物的处理也是构建废弃物循环利用体系是实施全面节约战略、保障国家资源安全、积极稳妥推进碳达峰碳中和、加快发展方式绿色转型的重要举措。制革废弃物高价值回收已成为皮革行业的关键关注点,尤其是处理鞣革后产生的铬革屑,是迫切需要解决的问题。如果能利用含铬革屑制备含铬电催化剂,将其中的铬转化为具有高附加值的产物,既可消除皮革废弃物对环境的污染又符合循环经济和可持续发展的要求。基于此,韩庆鑫等人利用铬革屑胶原纤维表面官能团在热解过程中固定Ru原子,成功制备了一种具有广泛pH适用范围的析氢反应(HER)电催化剂。由于含铬革屑表面存在大量的氨基,钌离子(Ru3+)可以通过形成CL-NH2-Ru络合物吸附在含铬革屑的表面,这使其在高温煅烧的过程会尽可能避免形成Ru纳米颗粒,而且含铬革屑当中的铬元素也可以起到提升HER性能的作用。优化后的样品CN/Cr2O3/Ru-1表现出优异的电催化性能,在1.0 M KOH中,电流密度为10 mA cm -2时的过电位仅为-28 mV,在酸性和中性电解液中也表现出良好的电催化性能,超过了已报道的大多数以Ru为催化中心的催化剂。密度泛函理论(DFT)计算表明,Cr2O3中的氧(O)和铬(Cr)能与钌(Ru)原子的配位模式发生有利的相互作用,从而阐明了CN/Cr2O3/Ru中Cr对催化中心Ru的协同增强作用。该研究工作既为含铬制革废弃物提供了绿色处理方案,又为开发高性能、低成本电催化剂开辟了新途径,展现了环保与新能源材料研发的双重潜力。上述工作以“Atomic-scale Ru anchored on chromium-shavings as a precursor for a pH-universal hydrogen evolution reaction electrocatalyst”为题已在线发表,全文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01951a 。该工作得到了国家自然科学基金项目(21908140),陕西省教育厅科学研究计划(22JP006),轻化工助剂化学与技术教育部重点实验室和陕西省轻化工助剂化学与技术协同创新中心开放基金(KFKT2021-15)的资助。

新闻小贴士:

Materials Horizons是英国皇家化学协会(Royal Society of Chemistry)旗下材料领域的领导性期刊,发表高质量、高创新性的研究成果。更加侧重于原创性研究,强调所发表论文要提出新的概念或思维方式。该杂志每年发稿量仅为300篇左右,最新影响因子(Impact Factor)为13.3。上述优秀科研成果的成功发表进一步表明我校在相关领域已处于世界先进水平,同样标志着我校近年来在人才引进工作取得了持续性的优异重要成绩。

(核稿:雷涛 编辑:刘倩)

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