材料學(xué)院楊海波教授團隊在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表PEI基儲能納米復合材料研究成果

近日，材料科學(xué)與工程學(xué)院楊海波教授團隊，在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》（IF：18.5）上發(fā)表了題為“Ultrahigh Dielectric Energy Density and Efficiency in PEI-based Gradient Layered Polymer Nanocomposite”的研究論文。我校楊海波教授、林營(yíng)教授、袁啟斌副教授和西安交通大學(xué)王軼飛副教授為文章共同通訊作者，材料學(xué)院博士生黨禎兒為文章第一作者，陜西科技大學(xué)為第一通訊單位。

五層梯度結構PEI基納米復合材料的設計、物相形貌表征、電樹(shù)擊穿模擬和介電儲能性能

隨著(zhù)世界人口和能源消耗的不斷增加，人類(lèi)社會(huì )的可持續發(fā)展正面臨著(zhù)全球變暖、環(huán)境污染、化石燃料資源枯竭等諸多問(wèn)題的嚴重威脅。因此，開(kāi)發(fā)環(huán)境友好的新能源和先進(jìn)的能源轉化與儲存技術(shù)已成為全球能源革命的主導方向和一致行動(dòng)。聚合物基儲能復合材料具有柔韌性好、擊穿場(chǎng)強高、體積小、重量輕、成本低、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統和電子工業(yè)中引起了廣泛的關(guān)注。但耐高溫性能較差，不能滿(mǎn)足航空航天、新能源電動(dòng)汽車(chē)等特殊領(lǐng)域的應用需求。隨著(zhù)電力電子設備的小型化和集成化，其產(chǎn)生的熱量呈指數級增長(cháng)，柔性電子設備的快速發(fā)展也對高溫聚合物基儲能復合材料產(chǎn)生了巨大的需求。

鑒于此，陜西科技大學(xué)楊海波教授團隊設計制備了一種五層梯度結構聚合物基納米復合材料，兩外層為氮化硼納米片（BNNSs）/聚醚酰亞胺（PEI）復合層，中間三層為鈦酸鋇納米顆粒（BaTiO₃ NPs）/PEI復合層，BaTiO₃ NPs的粒徑從上到下分別為500 nm、200 nm和100 nm，實(shí)現了室溫及高溫下儲能密度和儲能效率的協(xié)同提升。

研究團隊選擇具有高擊穿場(chǎng)強、優(yōu)異耐高溫性能的PEI作為聚合物基體。BNNSs/PEI復合層作絕緣外層，能夠有效降低漏電流，提高散熱能力，從而提高擊穿場(chǎng)強和儲能效率。BaTiO₃ NPs/PEI復合層作三個(gè)極化中間層能夠提高介電常數和儲能密度。與調控填料體積分數不同，通過(guò)從上到下減小粒徑設計多級梯度結構可賦予較高的界面極化，促進(jìn)電場(chǎng)均勻分布并形成界面阻擋效應，同時(shí)還可以避免填料團聚并降低損耗。梯度結構形成的連續梯度電場(chǎng)分布可以明顯抑制電樹(shù)生長(cháng)并提高擊穿場(chǎng)強，使納米復合材料在高儲能效率下保持高儲能密度。梯度電場(chǎng)的構建并不需要復雜的手段，只需要調控極化層中BaTiO₃ NPs的粒徑。五層梯度結構PEI基納米復合材料具有16.38 J·cm^-3的高儲能密度和97.79%的高儲能效率，遠遠超過(guò)以前報道的聚合物基納米復合材料。此外，該納米復合材料還表現出良好的高溫儲能性能，在150 ℃下實(shí)現7.36 J·cm^-3的儲能密度和83.12%的儲能效率。

五層梯度結構PEI基納米復合材料的設計、物相形貌表征、電樹(shù)擊穿模擬和介電儲能性能

這種梯度層狀結構設計為開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異儲能性能的聚合物基高溫介電材料提供了一種有效策略，也可以擴展到其他功能復合材料中。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202406148

新聞小貼士：

楊海波，二級教授，博士生導師，新加坡國立大學(xué)博士后，中國高等教育學(xué)會(huì )教學(xué)研究分會(huì )理事，教育部本科教育教學(xué)審核評估專(zhuān)家，陜西省工科類(lèi)學(xué)科評議組成員，陜西省高等學(xué)校教學(xué)指導委員會(huì )委員，陜西省特支計劃教學(xué)領(lǐng)軍人才，陜西省教學(xué)名師，陜西省中青年科技創(chuàng )新領(lǐng)軍人才，首屆陜西省杰青，校友會(huì )2023年中國高貢獻學(xué)者，英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì )2021 Top 1%高被引中國作者。以第一作者或通訊作者在A(yíng)dvanced Functional Materials、Energy Storage Materials等國內外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇，其中ESI熱點(diǎn)論文5篇、ESI高被引論文17篇。先后主持國家自然科學(xué)基金青年基金、國家自然科學(xué)基金面上項目（3項）、陜西省杰出青年科學(xué)基金、教育部留學(xué)歸國人員科研啟動(dòng)基金等科研項目20余項。以第一完成人榮獲國家級教學(xué)成果二等獎、陜西省教學(xué)成果一等獎、陜西省自然科學(xué)二等獎。

（核稿：王卓 編輯：劉倩）