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曹寧團隊在新型無機功能材料研究方面取得系列進展
發佈時間:2020-12-14 11:29:46點擊數:字號:
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會議報告人 審核人 蔣大森
學術報告 簡介

【四方a集運倉電話】近日,材料科學與工程學院曹寧團隊在新型無機功能材料研究方面取得系列進展,相關研究成果分別發表在Energy Storage Materials, Nano-Micro Letters, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Science & Technology, Separation and Purification Technology等國際知名學術期刊上。該系列成果得到國家自然科學基金、山東省重點研發計劃、山東省自然科學基金和中央高校基本科研業務費資助。

石墨烯、碳纖維、金屬氧化物、硫化物和二維層狀結構的金屬碳/氮化物(MXene)等無機非金屬材料由於其獨特晶體結構、豐富的化學鍵類型、良好的環境適應性,在清潔能源的儲存與轉化、環境治理、傳感等多個領域應用潛力巨大。當前,推動高活性、低成本的無機柔性儲能器件和油水分離材料的開發已成為無機非金屬材料領域的一大研究熱點。為此,曹寧團隊在前期二維層狀無機複合構型功能化調控機制研究的基礎上,從無機納米複合構型搭建和材料表面化學出發,通過價態調控、元素摻雜、自組裝、柔性設計等策略,提升材料的能量轉換效率、電荷存儲和油水分離性能,揭示材料中界面化學反應活性-儲能機理、超潤濕功能化修飾-選擇性吸附性能、元素摻雜-電化學催化性能等構-效關係的微觀本質,為新型無機功能材料的設計與能源環境器件開發提供了科學依據和理論支持。

題為《最新的進展在氟摻雜/氟化碳基材料應用於超級電容器》(Recent advances in fluorine-doped/fluorinated carbon-based materials for supercapacitors)的論文發表在工程技術類TOP期刊Energy Storage Materials上,第一作者為碩士生王騰,通訊作者為曹寧副教授。該論文全面介紹了石墨烯氟化衍生物電極材料的研究進展、氟摻雜/氟化碳材料的基本機理、性能指標以及實際的電荷儲存過程,揭示了其潛在的應用優勢並對主要的製備工藝進行了比較,提出維度決定氟摻雜/氟化碳基材料超級電容性能的關鍵參數之一。通過對氟原子的電化學性能進行討論,説明氟原子引入對材料電化學性能的影響規律,從而為後續氟化材料作為超級電容器電極的相關研究提供了重要參考。

題為《提升Ti3C2Tx作為超級電容器電極材料的電容性能:從可控合成到結構的構建》(Enhancing capacitance performance of Ti3C2TxMXene as electrode materials of supercapacitor: From controlled preparation to composite structure construction)的論文發表在工程技術類TOP期刊Nano-Micro Letters上,第一作者為臧曉蓓博士,通訊作者為曹寧副教授。Ti3C2Tx是一種新型的二維層狀材料,由於其良好的金屬導電性,氧化還原反應活性表面等優點,被廣泛用作超級電容器的電極材料。但是,Ti3C2Tx存在着諸如鈦的重新堆積,重新壓碎和氧化等阻礙了其獲得理想比電容的挑戰。為此,該論文總結了改善Ti3C2Tx基超級電容器電極材料的比電容的最新策略,例如成膜,表面改性和複合方法,分析了不同電解質中的儲能性能及其影響因素,並對超級電容器中Ti3C2Tx材料的研究方向給予預測。

題目為《1T/2H混合相MoS2納米片與3D氮摻雜石墨烯衍生物的集成以增強電催化氫釋放》(1T/2H mixed phase MoS2nanosheets integrated by a 3D nitrogen-doped graphene derivative for enhanced electrocatalytic hydrogen evolution)的研究論文發表在工程技術類TOP期刊ACS Applied Mateials & Interfaces上。第一作者為臧曉蓓博士,通訊作者為曹寧副教授。該工作通過對低成本氮源尿素分子的剪裁和簡便的溶劑熱法,製備出具有三維多孔結構的混合相MoS2/氮摻雜石墨烯衍生物,系統地探究了氮摻雜劑/溶劑對於MoS2耦合石墨烯的複合形貌、半導體相到金屬相的轉變的影響,同時證明了其具有改善孔結構的作用,優化後的複合衍生物呈現出優異的電催化析氫性能。

題為《有限還原控制提高柔性同軸纖維鋅離子電池混合價錳氧化物的儲鋅性能》(Enhanced zinc storage performance of mixed valent manganese oxide for flexible coaxial fiber zinc-ion battery by limited reduction control)的研究論文發表在工程技術類TOP期刊Journal of Materials Science & Technology上。第一作者為臧曉蓓博士,通訊作者為曹寧副教授。該工作使用肼蒸氣有限地還原MnO2製備MnOx,闡述了混合價態錳氧化物的微觀組織和化學結構。通過分子動力學模擬,對不同價態陰極材料對鋅離子擴散動力行為、電極/離子界面穩定性和吸附性進行了詳細地計算和深入地分析。基於該材料組裝了具有高電化學性能和柔韌性的同軸纖維ZIBs。其可逆容量為255.8 mAh/g,經過1000次彎曲變形後容量保持率高達80%。

題為《專為高效油/水分離設計的具有超潤濕選擇性和阻燃性的功能化碳纖維氈》(Functionalized carbon fiber felts with selective superwettability and fire retardancy: Designed for efficient oil/water separation)的論文發表在工程技術大類TOP期刊Separation and Purification Technology上。第一作者和通訊作者為曹寧副教授。該工作採用簡單、高效且低成本的紫外(UV)-O3-重氮表面改性技術,製備出兼具超潤濕性和阻燃性的碳纖維氈。其中,UV功能性碳纖維氈(UV-CFF)在空氣中具有超雙親和水下超疏油特性,而4-三氟甲基重氮苯鹽酸鹽對UV-CFF進行表面改性所得碳纖維氈(f-CFF)則具有超疏水特性。UV-CFF對油的截留率達100%,f-CFF對水的截留率達98.21±0.7%,f-CFF的破乳能力達99.9%。由於其耐腐蝕、易製造、循環穩定性好且兼具阻燃性的特點,該系列碳纖維氈在應對不同水環境修復和化工油水分離場景中,具有重要而廣泛的應用價值

曹寧團隊長期從事新型無機功能材料在新能源與環境相關領域的應用基礎研究。近年來在國家自然科學基金、山東省自然科學基金等資助下開展了碳基油水分離材料及產品研發、高效HER電催化劑的設計合成、電化學儲能材料等方面的研究工作,授權國家發明專利7項,獲山東省專利獎三等獎1項;發表學術論文40餘篇,累積指導碩士生20餘人,其中,1篇論文獲評山東省優秀碩士學位論文、1人獲評國家獎學金、1人獲山東省優秀畢業生稱號、2人獲國家勵志獎學金。在“第五屆中國大學生材料熱處理創新創業大賽”、“第六屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽”、“第十二屆“挑戰杯”大學生創新創業計劃競賽”和“東營市首屆油地校融合創新創業大賽”等創新創業活動中,獲得二等獎2項,省級銀獎和省級銅獎各1項。

論文連接:

1.//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829720301720

2.//link.springer.com/article/10.1007/s40820-020-0415-5

3.//pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c16537

4.//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100503022030863X

5.//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586620317822?via%3Dihub

【 作者:劉玉麗 單寶來 來自:材料科學與工程學院 科技處  責任編輯:姜洪明 審核:蔣大森】

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