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(jié)構(gòu)PEI基納米復(fù)合材料的設(shè)計、物相形貌表征、電樹擊穿模擬和介電儲能性能
隨著世界人口和能源消耗的不斷增加，人類社會的可持續(xù)發(fā)展正面臨著全球變暖、環(huán)境污染、化石燃料資源枯竭等諸多問題的嚴重威脅。因此，開發(fā)環(huán)境友好的新能源和先進的能源轉(zhuǎn)化與儲存技術(shù)已成為全球能源革命的主導(dǎo)方向和一致行動。聚合物基儲能復(fù)合材料具有柔韌性好、擊穿場強高、體積小、重量輕、成本低、制備工藝簡單等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)和電子工業(yè)中引起了廣泛的關(guān)注。但耐高溫性能較差，不能滿足航空航天、新能源電動汽車等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用需求。隨著電力電子設(shè)備的小型化和集成化，其產(chǎn)生的熱量呈指數(shù)級增長，柔性電子設(shè)備的快速發(fā)展也對高溫聚合物基儲能復(fù)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(shè)計制備了一種五層梯度結(jié)構(gòu)聚合物基納米復(fù)合材料，兩外層為氮化硼納米片（BNNSs）/聚醚酰亞胺（PEI）復(fù)合層，中間三層為鈦酸鋇納米顆粒（BaTiO3 NPs）/PEI復(fù)合層，BaTiO3 NPs的粒徑從上到下分別為500 nm、200 nm和100 nm，實現(xiàn)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強、優(yōu)異耐高溫性能的PEI作為聚合物基體。BNNSs/PEI復(fù)合層作絕緣外層，能夠有效降低漏電流，提高散熱能力，從而提高擊穿場強和儲能效率。BaTiO3 NPs/PEI復(fù)合層作三個極化中間層能夠提高介電常數(shù)和儲能密度。與調(diào)控填料體積分數(shù)不同，通過從上到下減小粒徑設(shè)計多級梯度結(jié)構(gòu)可賦予較高的界面極化，促進電場均勻分布并形成界面阻擋效應(yīng)，同時還可以避免填料團聚并降低損耗。梯度結(jié)構(gòu)形成的連續(xù)梯度電場分布可以明顯抑制電樹生長并提高擊穿場強，使納米復(fù)合材料在高儲能效率下保持高儲能密度。梯度電場的構(gòu)建并不需要復(fù)雜的手段，只需要調(diào)控極化層中BaTiO3 NPs的粒徑。五層梯度結(jié)構(gòu)PEI基納米復(fù)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，遠遠超過以前報道的聚合物基納米復(fù)合材料。此外，該納米復(fù)合材料還表現(xiàn)出良好的高溫儲能性能，在150 ℃下實現(xiàn)7.36 J·cm-3的儲能密度和83.12%的儲能效率。
五層梯度結(jié)構(gòu)PEI基納米復(fù)合材料的設(shè)計、物相形貌表征、電樹擊穿模擬和介電儲能性能
這種梯度層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計為開發(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(fù)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(dǎo)師，新加坡國立大學(xué)博士后，中國高等教育學(xué)會教學(xué)研究分會理事，教育部本科教育教學(xué)審核評估專家，陜西省工科類學(xué)科評議組成員，陜西省高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會委員，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2023年中國高貢獻學(xué)者，英國皇家化學(xué)學(xué)會2021 Top 1%高被引中國作者。以第一作者或通訊作者在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇，其中ESI熱點論文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）
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