【项目名称】

自然构型“窄却快”超流传输的电极材料

【项目负责人】

刘庆雷

【项目完成人】

刘庆雷、顾佳俊、陈文书、杨梦召、张荻、Y. Morris Wang

【项目完成单位】

材料科学与工程学院、加州大学洛杉矶分校

【项目简介】

介质传输的多孔膜在能源、分离、催化等领域有着广泛应用，但传输效率往往随着孔径尺寸减小而快速降低。如何实现具有超快传输效应的致密膜材料是多领域共同长期挑战。反观自然，生物系统中普遍存在着能快速地传输离子/分子的纳米通道，其传输效率甚至是微米孔道的几个数量级，在物质与能量循环、光电信号反应/传递等生命过程中发挥着关键作用。这种新奇现象与传统的物质传输理论相悖，是一种具有“量子限域传输”效应的“纳米超流”现象，最近引起了材料、物理、化学等学科领域的极大兴趣。

基于纳米孔储能的超级电容器这一高新储能技术已在国防军工、智能电网、轨道交通等高科技领域显示出重大应用前景。然而，其核心的多孔电极材料性能不足却长期制约着该储能技术的广泛应用。如何优化设计多孔结构从而突破电极材料的离子传输性能瓶颈，已成为领域二十多年来难以攻克的科学与技术难题。启迪于自然，针对该难题，研究团队打破了“大孔传输快”的传统认知桎梏，在国际上另辟蹊径地提出了“窄却快”多孔电极结构的设计新理念，创制出独特的“窄而短”纳米孔道传输网络新材料，首次在宏观尺度上展示出突破孔径物理尺寸限制的宏量离子超快传输新现象，从而在满足工业需求面电容严苛的条件下将目前公开报道的体积电容提高了一个数量级；在此基础上，研究团队利用密度泛函理论和从头算分子动力学证明了水合纳米孔道中的离子限域传输增强效应，初步揭示了窄而短纳米孔道及导电材质表面协同的“限域传输”新机制，为新一代高功率储能材料与器件研究提供了新视野与技术途径。

图 基于基元序构策略的生物拓扑传输构型电极

课题组长期从事生物构型化新材料的研究，通过材料基元的重构策略，相继发展了仿生层状结构的致密化结构和功能复合材料，为破解强韧性、介质输运等领域难题提供新思路。