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材料学院青年教师党阿磊以合作作者身份在国际顶级期刊Nature发表论文
发布时间:2018-05-18 14:04:19 来源:材料学院 已浏览:

西工大新闻网5月18日电陈仲昌 党阿磊)目前,最新一期国际顶级期刊Nature(IF = 40.137)正刊刊发了西北工业大学(合作单位)关于二维MXene材料液晶相在高性能电极薄膜材料设计和应用中的最新研究成果,Nature Chemistry Community对本研究成果进行了同步报道(http://go.nature.com/2L4VLzU),论文题目为“Thickness-independent capacitance of vertically aligned liquid-crystalline MXenes”(doi:10.1038/s41586-018-0109-z)。

该研究项目由西北工业大学“青年教师名校访学计划”、材料学院及陕西省石墨烯新型炭材料及应用工程实验室共同支持,我校李铁虎教授团队青年教师党阿磊在美国宾夕法尼亚大学材料科学与工程学院Shu Yang教授课题组博士后研究期间,以合作作者身份(第五作者)做出的研究成果,西北工业大学为第四合作单位。德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授课题组的研究人员参与合作研究。

Figure 1. Schematic illustration of ion transport in Ti3C2TxMXene films. a) Ion transport in horizontally stacked (a) and vertically aligned (b) Ti3C2Tx; c, illustration of the surfactant (C12E6)-enhanced lamellar structure of the MXene lamellar liquid crystal (MXLLC). d), illustration of the alignment method used in this work.

在保持高能量密度和功率密度的条件下,规模化和可持续化制备出满足工业条件(≥100µm)的电极薄膜,在航空航天、通讯、混合电动车等工业领域具有广阔的应用前景。二维纳米材料由于特有的形貌、优异的物性特征及晶体生长高度的各向异性,被认为是理想的电极薄膜材料。相比于二维石墨烯材料,MXene作为二维纳米材料一个新的成员,由于其具有类似于金属或石墨烯的超高导电性表面(~ 8000 S/cm),以及高能量(赝电容)和功率密度特性,因此自2011年被发现以来,受到了研究者广泛的关注。但是,长期以来,电极制备领域存在厚度与电容不可兼得的矛盾。这主要是因为,传统的电极制备方法往往导致二维纳米材料的重新堆叠,使得在较厚电极中离子传递速率受到严重限制,进而大大阻碍了电解液离子在电极材料中的传输。

Figure 2. Characterization of MXene nanosheets and the high-order MXene lamellar liquid crystal (MXLLC).

液晶自组装作为实现材料长程有序微结构的一种有效手段,主要是通过对各向异性的有机分子/无机纳米颗粒在微观尺度的排列方式进行有效控制,来改善和提高材料宏观尺度的性能,从而实现对材料结构的调控、优化以及性能的改善。因此,本项研究工作选用具有优异性能的二维无机纳米材料MXene(Ti3C2)为原料,首次对其液晶自组装行为在电极材料中的应用进行了探索性的研究(Thickness Independent Capacitance of Vertically Aligned Liquid Crystalline MXenes, Nature, 2018, 557:409-412)。研究发现,当二维纳米材料片层以高度有序的盘状S型层状液晶相(smectic liquid crystal phase)排列时,通过对盘状液晶MXene进行机械剪切,在流体引起的波动扭矩(flow-induced-fluctuation torque,FLFT)条件下,分子会重新改变方向,以垂直于剪切力的方向,沿着基底材料进行垂直有序排列。 相比于纳米片层平行于集流器,这种独特的垂直结构,电解液离子传递速度不受电极薄膜厚度的影响,在200µm范围内都可以快速传递,因而这种电极薄膜表现出和厚度无关的电学性质,同时,即便薄膜厚度达到200µm的情况下,电极循环2万次几乎没有衰减。总之,这项研究开发了一种易于规模化制备的二维材料液晶自组装的方法,实现了电极薄膜材料在200µm厚度条件下,也能保持高电容和长期循环寿命。

Figure 3. Electrochemical performance of vacuum-filtered MXene papers and MXene lamellar liquid crystal (MXene) films

李铁虎教授是我校材料学院特种炭材料实验室的负责人,一直从事石墨烯、碳纳米管、改性沥青与泡沫碳、纳米催化等新型纳米材料的制备及相关应用研究。在陕西省发改委和学校的大力支持下于2016年9月依托特种炭材料实验室成立了陕西省石墨烯新型炭材料及应用工程实验室。李铁虎教授及其科研团队还致力于新型纳米材料和新型炭材料的设计、合成及其性能调控的基础理论和应用研究,已经取得了丰硕的科研成果。先后承担了国家级项目20多项,获省部级一、二、三等奖4项,获国家教学成果一等奖及陕西省教学成果特等奖各1项,其研究成果3次被《中国科学报》专题报道;已发表论文300多篇,其中SCI收录150余篇,多次在Advanced Materials(影响因子18.96)、ACS Nano(影响因子13.942)、Journal of the American Chemical Society(影响因子13.858)、Advanced Functional Materials(影响因子12.124)等顶级期刊上发表论文。已培养出博士后5人,博士生37人,硕士生98人。兼任国务院学科评议组成员,“国家石墨烯产品质量监督检验中心”学术委员会委员、“陕西省石墨烯新型炭材料及应用工程实验室”主任、“陕西省石墨烯联合实验室”学术委员会委员、中国金属学会《炭素材料》副主编、中国科学院《新型炭材料》编委、中国电工技术学会《炭素》编委。

(审稿:董文强

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