二维MXene材料在新型薄膜太阳能电池技术中的研究进展

太阳能作为自然界中丰富的可持续清洁能源,可以在解决当前能源短缺问题的同时有效减少因过度消耗化石燃料造成的环境污染问题。近年来,第三代新型薄膜太阳能电池,如染料敏化太阳能电池(DSSCs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)等,凭借其原料丰富、制造成本低廉和光电性能良好等优点而受到广泛关注。然而,新型薄膜太阳能电池器件的电荷传输性能和运行稳定性与正式商用的要求仍有一定差距。二维MXene材料具有比表面积高、表面官能团丰富、导电性优良、功函数可调和亲水性等优点,已成为能源转换领域的研究热点。鉴于此,本文在综述二维MXene材料的结构、光学和电学特性的基础上,阐述了近些年二维MXene材料应用于新型薄膜太阳能电池的研究进展,并重点探讨了二维MXene材料增强太阳能电池光电性能的机制。二维MXene材料可通过作为钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层和电荷传输层的添加剂、修饰染料敏化太阳能电池的光电阳极和制备电极,来调整能带对齐、降低功函数、拓宽吸光范围和形成“柱撑效应”,有效改善器件的光吸收效率、载流子迁移率和电荷提取能力,从而提升器件的光电性能和稳定性。最后,结合目前的研究进展,对二维MXene材料在新型薄膜太阳能电池技术中的发展前景及面临的挑战提出了建议。

在最好的时代下砥砺前行——记中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员朱锦

2011年7月30日,浙江宁波召开的一场新产品鉴定会,揪紧了无数人的心。在这场鉴定会上,一项名为“大豆基无醛木材工业用胶黏剂”的产品,被鉴定达到国际先进水平。不显眼的名字后面,却蕴藏着极大的突破和广阔的前景。作为国内第一个以大豆为原料生产的生物基无醛胶黏剂,这一产品解决了木材加工产品中的最大问题——甲醛污染。作为这一技术的科研带头人,朱锦夺得“2011年中国产学研合作创新成果奖”,通过对这一技术的研究获得35项发明专利。如今,这一技术在中国的地板等家居、建材行业中进行着广泛的产业化实践和应用,仅这一领域的经济效益就已超过20亿元。

富锂层状氧化物正极材料的微观结构调控及其性能研究

通过调整富锂层状氧化物正极材料的元素组成,实现对其体相结构内的类Li_(2)MnO_(3)相晶畴分散度的调控。通过结合高功率X射线衍射和球差电镜证明了Li_(1.08)Ni_(0.225)Co_(0.225)Mn_(0.450)O_(2)材料具有高度分散的类Li 2MnO_(3)相晶畴,同时原位微分电化学质谱测试证明了具有高度分散的类Li_(2)MnO_(3)相晶畴的富锂层状氧化物正极材料可以成功抑制晶格氧的释放。电化学测试表明:微观结构的调控虽然可以提高材料的首次库伦效率和平均放电电压,但同时也降低了晶格氧的活性,减少了放电比容量。在循环过程中晶格氧稳定性的提高减轻了结构的退化程度,富锂层状氧化物正极材料表现出更优异的循环稳定性和更缓慢的电压衰减。此外,晶格氧稳定性的提高还改善了材料的热稳定性。

3D打印柔性SiO_(2)气凝胶复合材料的研究

SiO_(2)气凝胶因特殊网络结构而存在优异的性质,如高比表面积、高孔隙率、低热导率和低密度,是优异的保温绝热材料。但SiO2气凝胶机械性能脆弱,导致传统制造方法难以制备复杂和微小型构件,极大地阻碍了SiO_(2)气凝胶在隔热领域的发展和应用。本文通过3D打印直写技术制备了柔性SiO_(2)气凝胶复合材料,通过研究不同聚乙烯醇(PVA)溶液和十八酸钠(C_(17)H_(35)COONa)的含量,找到最佳浆料配比,打印的柔性SiO_(2)气凝胶复合材料在100℃下的热导率低至0.026 W/(m·K),同时具有较好的压缩性能、弯曲性能和疏水性。这项研究为SiO_(2)气凝胶的规模化应用提供一种可能。

高性能高分子材料体系自立自强发展战略研究

高性能高分子材料具有高强高模、高绝缘、耐腐蚀、耐辐照或绿色低碳等特点,是保障国家安全和国民经济发展的战略性材料之一,广泛应用于航空航天、电子电器、生物医疗等重要领域。本文系统梳理了高性能树脂及工程塑料、有机纤维、生物基树脂及可降解材料、特种橡胶及弹性体四大类高性能高分子材料中的重点品种,分析了国内外重点品种的发展现状和特点。研究发现,目前我国在高性能高分子材料方面已建立起比较完备的化工原料–合成–加工改性–制品应用上下游产业体系,但同时也存在关键原料保障不足、产品应用开发有待拓展等问题。在此基础上,从加强技术创新、推进关键原料保障、组建创新联合体等方面提出对策建议,以期为我国高性能高分子材料体系发展提供参考。

生物基可降解环氧树脂及其可回收碳纤维复合材料的研究进展

环氧树脂是目前应用最为广泛的热固性树脂之一,其固化后会形成不溶、不熔的高度交联的三维网络结构,从而导致树脂及其碳纤维复合材料的降解困难而且难以再加工,造成了严重的资源浪费与环境污染。采用可再生生物质原料制备生物基可降解环氧树脂及其碳纤维复合材料,在缓解能源危机、减轻环境污染和实现资源再利用上具有重要意义。综述了生物基可降解环氧树脂及其可回收碳纤维复合材料的研究进展,主要包括含有热或化学不稳定键的可降解环氧树脂的合成、性能、降解机理及其碳纤维的无损回收,并总结了其优缺点。

VO_(2)薄膜材料的变温光学性质及1550 nm激光防护性能研究

具有半导体-金属态相变性质的二氧化钒材料可用于光电探测器的激光致盲防护。本文报道了基于磁控溅射法制备二氧化钒薄膜材料的结构、形貌特性,以及在不同温度下的光学性质。使用椭偏光谱法测量了20~100℃下可见-近红外波段二氧化钒材料的椭偏参数,利用Gaussian、Lorentz模型获取了薄膜在相变前的光学性质,结合Drude模型拟合获取了材料在相变后的光学特性,获取了材料在300~1700 nm之间的变温折射率和消光系数等参数。变功率下1550 nm红外激光透射率的实验测试研究表明,VO_(2)薄膜样品的相变阈值功率为12 W/cm^(2),相变前后透射率由51%减小到15%~17%,开关率为69%。

电子鼻技术及其应用研究进展

电子鼻(Electronic nose,E-nose)技术作为一种有效的嗅觉模拟与气体识别的方法被广泛应用。电子鼻系统由气体传感器阵列组成,利用其交叉敏感性对气体进行检测。电子鼻系统利用机器学习算法,对气体进行定性定量分析。传统的机器学习算法在电子鼻系统中的应用已经成熟,如今深度学习算法也慢慢在电子鼻系统中应用。电子鼻系统具有选择性高、精密度好、反应快速、稳定性和延展性好的特点,被应用于包括有毒气体检测、空气质量管理、食品新鲜度和质量预测等方面。本文从气体传感器阵列的组成、信号采集与处理单元、模式识别算法的分类以及电子鼻系统在实际中的应用等方面综述了电子鼻系统气体识别的最新研究进展,最后对电子鼻系统气体识别目前所存在的问题以及发展前景进行了总结和展望。

秸秆膨化技术及高效应用的研究

我国拥有丰富的秸秆资源,然而,其中大部分尚未得到有效开发利用,造成了资源的浪费。因此,秸秆膨化技术的发展及其高效利用成为不可回避的趋势。首先对农作物秸秆的主要成分进行了介绍,随后深入综述了螺杆膨化机的工作原理,详述了单螺杆、双螺杆和三螺杆膨化机在秸秆膨化领域的研究历程,并对各类膨化机的优劣进行了分析。同时,还对膨化过程中的影响因素进行了综合总结。根据秸秆膨化的应用,展望了秸秆在制浆、复合板材和乙醇方面的利用,为高效利用秸秆提供了理论指导。

原位表征技术在锂硫电池机理研究中的应用

商用锂离子电池的低能量密度已经无法满足电动汽车和电子设备迅速发展的需求,锂硫电池作为一种高能量密度、绿色环保且成本低廉的储能器件,已经成为储能领域的重要议题。然而,氧化还原动力学缓慢、穿梭效应严重、电解液耗竭以及锂负极的降解等问题依然阻碍着锂硫电池商业化的脚步。研究锂硫电池系统内各部件的基本反应机制对于解决以上问题,并进一步提高电池的整体性能至关重要。原位表征技术可用于锂硫电池充放电过程中各部件结构变化与反应进程的实时观察与研究,对锂硫电池机理的揭示有望从材料设计层面大幅提升电池整体性能。本文通过对近期研究工作进行总结,介绍了锂硫电池在提高循环寿命和高能量密度上遇到的瓶颈性问题,简述了原位拉曼光谱、原位透射电镜、原位共振非弹性X射线散射、原位红外光谱和原位核磁共振光谱等原位表征技术在锂硫电池中的应用。并结合锂硫电池涉及的氧化还原反应、多硫化物溶解、电解液对多硫化物的抑制以及锂负极降解等具体环节,重点分析了原位表征技术在这些具体环节中监测多硫化物转化过程和探究锂硫电池内部反应机理方面的研究进展,指出了原位表征技术在促进锂硫电池机理理解方面的重要作用。

基于渐进损伤模型的热固性复合材料电阻焊接头强度的尺寸效应研究

研究了拉剪载荷下热固性复合材料电阻焊接头强度的尺寸效应,揭示了不同搭接尺寸对焊接强度和焊接界面渐进损伤行为的影响规律。为了研究焊接界面的渐进损伤行为,引入双线性内聚力单元,进而建立焊接接头的有限元模型,然后通过电阻焊接的拉剪试验验证了模型的准确性。在此基础上,建立了不同搭接尺寸的数值模型并对其进行研究。研究结果表明,增大搭接长度或者宽度可以提高接头结构的承载能力,但是当搭接长度较长时,在搭接区域边缘易发生翘曲失效,降低了接头单搭接剪切强度,而宽度则对接头的剪切强度影响很小。

热塑性碳纤维/尼龙6复合材料界面优化及零件快速成型工艺研究

碳纤维复合材料具有质轻高强等优势,是绝佳的轻量化材料,但汽车常用的碳纤维复合材料以环氧树脂等热固性树脂为基体,大规模应用会面临不易回收的难题。热塑性碳纤维复合材料具有易回收的优势,但其如何提升碳纤维与热塑性树脂的界面结合力及零件成型效率是行业难题。本文以热塑性碳纤维/尼龙6复合材料为研究对象,针对商品化碳纤维/尼龙6界面相容性差的问题,创新设计一种新型的可溶性共聚酰胺上浆剂,将碳纤维/尼龙6的界面强度提升74.2%,显著提升了碳纤维/尼龙6的综合性能。同时,优化预浸料制备和连续模压成型的工艺参数,将碳纤维顶盖横梁的模压生产效率提升至3.4 min/件,满足汽车行业大批量产节拍要求。同时,碳纤维/尼龙6顶盖横梁具有极高的弯曲强度和模量,与钢制件相比轻量率达68.8%。综上,本文为热塑性碳纤维复合材料(易回收)在汽车上的批量化应用提供了创新解决方案。

碳纤维增强聚合物复合材料水导激光切割损伤机理研究

碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料在水导激光加工后,切缝表面和横截面存在热损伤,这些损伤是影响材料力学性能、降低材料服役性能的重要因素。针对该问题,采用试验方法分析了加工参数对沟槽几何形貌和表面形貌的影响规律,研究了沟槽表面和横截面的热损伤形成机理。研究结果表明:高激光功率、低脉冲频率和低切割速度可有效增大沟槽深度;激光与材料的相互作用和水射流的冲刷作用是形成沟槽表面热损伤的主要原因。在2 mm厚CFRP切割试验中发现:横截面热影响区宽度与纤维排布方向有关,0°碳纤维热影响区宽度最大,45°和135°碳纤维热影响区宽度次之且宽度相近,90°碳纤维热影响宽度最小;另外,提高水射流速度有利于抑制热影响区的扩展,水射流速度由80 m/s提高至120 m/s,最大热影响宽度缩小35.7%。

退役锂离子电池循环利用技术研究进展

锂离子电池是实现“双碳”目标的有效手段之一,被广泛应用于3C、电动汽车和储能等领域。达到使用寿命后,将产生大量退役锂离子电池,其中含有大量有价金属元素和有害物质,一旦处理不当将造成资源浪费,并引发环境污染和安全问题。因此,退役锂离子电池的回收和循环利用技术成为当今研究的热点,也同时引起了全球关注。本文从拆解分选、有价金属浸出和资源再生3个方面对循环再利用技术进行总结和评述,并对未来发展提出了建议。

宁波市基础研究投入现状及对策建议

基础研究是科学技术发展的先导和源泉,实现高水平科技自立自强必须要加强基础研究,尤其是基础研究投入强度,将直接影响重大原创成果的产出。宁波作为副省级城市,在基础研究投入方面比较薄弱。本文通过梳理总结目前国内外基础研究投入现状,分析宁波在基础研究投入现状,提出加大政府、企业对基础研究投入及完善基础研究投入布局等政策建议。

富锂层状氧化物正极材料“可逆高氧活性”的研究进展

在当前已知的锂离子电池正极材料中,富锂层状氧化物的放电比容量高出传统正极材料将近一倍,因而被认为是开发新一代高能量密度电池的理想材料。它一般由Li_(2)MnO_(3)和LiTMO_(2)在纳米尺度上形成两种层状结构或固溶体,其充放电反应机制包括过渡金属活性和晶格氧活性,发挥可逆高氧活性直接决定着材料的放电比容量、循环稳定性等问题,材料的化学组成、微观结构、合成加工等关键因素直接控制着高氧活性的可逆性。本文详细地介绍了中国科学院宁波材料所近几年围绕富锂层状氧化物“可逆高氧活性”的研究进展。首先揭示了富锂锰基层状氧化物中不同元素氧框架结构基元的存在形式对氧活性的作用规律,其次探讨了不同维度的颗粒尺寸和晶畴尺寸对氧活性的影响机制,再次发展了优化体相结构及表面改性对氧活性的稳定性策略和提出了构筑体相无序结构抑制电压衰减的方法,最后探索构建了高比能富锂锰基电池新体系。这些研究结果为低成本、高容量富锂层状氧化物正极材料的设计制备和实际应用提供了理论支撑和方法指导。

碳纤维表面改性提高其树脂基复合材料电磁屏蔽性能的研究进展

随着大数据、物联网和新能源汽车等新兴产业的快速发展,相关电子设备与元器件向高性能化、高集成化、轻量化、精密化等方向迈进。随之产生的电磁干扰会威胁人体健康、信息安全以及各种电子设备的正常工作,因此迫切需要高性能的电磁屏蔽材料。碳纤维具有优异的力学性能和良好的导电性,其树脂基复合材料更是兼具质量轻、比强度/模量高、耐疲劳性好、可设计性强以及良好的电磁屏蔽性能等优势。但与传统的金属材料相比,碳纤维复合材料的电磁屏蔽性能较低,为了进一步提高其电磁屏蔽性能,通常需要对碳纤维进行表面改性。本文介绍了碳纤维复合材料的电磁屏蔽机理,综述了不同的碳纤维表面改性方法以及对碳纤维增强树脂基复合材料的电磁屏蔽性能的影响,分析了各种碳纤维表面改性方法的优缺点,进一步对碳纤维增强树脂基电磁屏蔽复合材料的发展趋势进行了展望。

激光多材料增材制造技术研究进展和展望

以航空航天为代表的极端使役零部件工作环境严酷,结构复杂,功能集成。多材料增材制造(Multi-material additive manufacturing,MMAM)能够满足特殊区域的宏观性能定制化和结构—功能一体化,在核能、军事、航空和医疗等领域具有极大的应用潜力。重点阐述了MMAM技术影响界面结合强度的主要因素及消除缺陷的方法;介绍了目前MMAM技术不同的送粉方法和每种送粉方法的优缺点;讨论了工艺参数对MMAM技术的影响规律;最后总结MMAM技术目前的瓶颈性难题,展望了未来的主要研究方向。

树脂基导电纳米复合材料电磁屏蔽性能的研究进展

随着5G时代的来临,电磁污染问题日益严重。电磁屏蔽是解决电磁污染的有效方法,已成为人们关注的热点。导电纳米粒子具有优异的导电性及其独特物理特性,其树脂基复合材料可作为轻质高电磁屏蔽效能的电磁屏蔽材料。本文主要介绍了含有导电一维纳米粒子(碳纳米管、银纳米线)和二维纳米粒子(石墨烯、MXenes)的树脂基复合材料在电磁屏蔽性能方面的研究进展,进一步对其发展趋势进行了展望。