【項目名稱】

自然構型“窄卻快”超流傳輸的電極材料

【項目負責人】

劉慶雷

【項目完成人】

劉慶雷、顧佳俊、陳文書、楊夢召、張荻、Y. Morris Wang

【項目完成單位】

材料科學與工程學院、加州大學洛杉磯分校

【項目簡介】

介質傳輸的多孔膜在能源、分離、催化等領域有著廣泛應用，但傳輸效率往往隨著孔徑尺寸減小而快速降低。如何實現具有超快傳輸效應的致密膜材料是多領域共同長期挑戰。反觀自然，生物系統中普遍存在著能快速地傳輸離子/分子的納米通道，其傳輸效率甚至是微米孔道的幾個數量級，在物質與能量循環、光電信號反應/傳遞等生命過程中發揮著關鍵作用。這種新奇現象與傳統的物質傳輸理論相悖，是一種具有“量子限域傳輸”效應的“納米超流”現象，最近引起了材料、物理、化學等學科領域的極大興趣。

基于納米孔儲能的超級電容器這一高新儲能技術已在國防軍工、智能電網、軌道交通等高科技領域顯示出重大應用前景。然而，其核心的多孔電極材料性能不足卻長期制約著該儲能技術的廣泛應用。如何優化設計多孔結構從而突破電極材料的離子傳輸性能瓶頸，已成為領域二十多年來難以攻克的科學與技術難題。啟迪于自然，針對該難題，研究團隊打破了“大孔傳輸快”的傳統認知桎梏，在國際上另辟蹊徑地提出了“窄卻快”多孔電極結構的設計新理念，創制出獨特的“窄而短”納米孔道傳輸網絡新材料，首次在宏觀尺度上展示出突破孔徑物理尺寸限制的宏量離子超快傳輸新現象，從而在滿足工業需求面電容嚴苛的條件下將目前公開報道的體積電容提高了一個數量級；在此基礎上，研究團隊利用密度泛函理論和從頭算分子動力學證明了水合納米孔道中的離子限域傳輸增強效應，初步揭示了窄而短納米孔道及導電材質表面協同的“限域傳輸”新機制，為新一代高功率儲能材料與器件研究提供了新視野與技術途徑。

圖 基于基元序構策略的生物拓撲傳輸構型電極

課題組長期從事生物構型化新材料的研究，通過材料基元的重構策略，相繼發展了仿生層狀結構的致密化結構和功能復合材料，為破解強韌性、介質輸運等領域難題提供新思路。