国家自然科学奖初评通过项目-能量高效储存与转化关键材料基础研究
| 项目名称: | 能量高效储存与转化关键材料基础研究 |
| 推荐单位: | 天津市 |
| 项目简介: | 该项目属于无机固体化学、电化学、纳米化学和能源的前沿交叉学科领域。 能量高效储存与转化是能源清洁利用的关键,对节能减排和可持续发展具有十分重要的意义。基于化学能/光能-电能储存与转化的新型电池及器件是能源化学领域研究热点和重点。能量储存与转化依赖于材料组成和结构,传统能源材料存在反应活性低、动力学缓慢、物质输运和电荷传递受限等科学与技术难题,造成现有的电池和器件实际能量储存密度低和能量转化效率低,难以满足社会需求。项目围绕氢、锂、镁等轻质材料的储能体系及化学能/光能-电能转化体系,以提高能量储存与转化效率为目标,开展了探索研究,取得如下重要研究成果: 1. 系统研究了多种3d电子过渡金属氧化物电极材料的电化学性能。考察了Fe、Co、Ni、V、Mn、Mo等金属氧化物及复合氧化物的储锂和电荷转移行为,明确了Fe2O3和Co3O4的相转换氧化还原反应机制,证明纳米结构对提高电极电化学反应活性起着关键作用,构建了基于Fe2O3、MnO2等纳米电极材料的高比容量锂离子和锌锰电池,为新型电池的研制与应用提供了新思路。 2. 深入研究了系列过渡金属硫属化合物的生长机制与储能规律。通过调变含有金属(Ti、Mo、W)与非金属(S、Se、Te)元素反应物的制备条件,实现了TiS2、TiSe2、TiTe2、MoS2、WS2等硫属化合物纳米/微米材料的可控制备,拓展了该类材料的合成方法,研究了TiS2与MoS2的储氢、储锂、储镁反应特性,揭示了层状金属硫化物的能量储存与结构变化规律,丰富了无机富勒烯类材料在能源清洁利用领域的应用。 3. 深入研究了Mg、Al、Si等轻质单质材料的储能规律。测试了Mg、Al、Si等轻质材料在2Mg+O2+2H2O→2Mg(OH)2、Mg+H2→Mg+2Had.→Mg+2Hab、4.4Li+Si→Li4.4Si反应体系中的反应热力学和动力学性质,阐明了材料结构及形貌变化在能量储存与转化中的影响机制与规律,优化了电极结构和电解液体系,构筑了新型镁电池,为高能量密度新型电池关键材料的研发提供了新途径。 4. 深入研究了新型薄膜太阳能电池关键材料的光电转换性能。设计合成了ZnIn2S4纳米管/线,CuIn(S,Se)2纳米晶等多元硫属化合物太阳能电池材料,以及具有不同电子给体-π共轭-电子受体(D-π-A)分子结构的系列三苯胺基有机染料,阐述了光能-电能转化过程中电子转移与能量传递机制,阐明了分子结构、能级轨道分布、吸收光谱、氧化还原电位与光电转换性能之间的关联规律,为新型薄膜太阳能电池关键材料的研发提供了理论指导与实验依据。 2002年至2008年2月,项目共发表SCI收录论文60篇,其中影响因子大于8.0的论文12篇,包括4篇J. Am. Chem. Soc.、3篇Angew. Chem. Int. Ed.、5篇Adv. Mater.,撰写专著4部(本),获国家发明专利授权4项,在专业学术会议作大会报告和邀请报告16次。SCI他引1926次,8篇代表性论文SCI他引763次,单篇最高他引256次。研究成果得到了国内外学者在Nat. Nanotechnol.、Nat. Mater.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.等学术期刊中引用和高度评价。 |
| 主要完成人: |
陈军 作为项目负责人提出研究计划与方案,提出本项目的主要学术思想与研究思路,负责项目的设计与规划、研究方向和内容的确定以及方案的指导与实施。八篇代表性论文的唯一通讯联系人和全部论文的通讯联系人,是全部发现点的主要完成人。本人在该项目研究中的工作量占本人工作量的90%。 李玮瑒 项目参加人,在攻读硕士期间作为主要参加者参与了核心发现点1、3中的实验设计、论文撰写工作。制备了Fe2O3纳米管和Co3O4纳米棒等多种形貌的能量储存与转化材料,研究了电化学储锂性能和电荷迁移行为,是多篇重要论文的第一作者(代表论文2、7)。本人在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%。 陶占良 项目参加人,作为主要参加者参与了核心发现点2、3和4中的实验设计、论文撰写工作。探索了TiS2、TiSe2、TiTe2等系列硫属层状化合物纳米/微米材料合成与制备工作,实现了材料形貌和尺寸的调控,揭示了该类材料储氢、储锂、储镁反应特性与结构变化规律,是代表性论文4的第二作者、代表性论文5的第三作者,代表性论文6的第六作者。协助陈军组织研究队伍、指导研究生完成核心发现点的实验研究和结果分析与讨论。本人在该项目研究中的工作量占本人工作量的80%。 程方益 项目参加人,作为主要参加者参与了核心发现点1、3和4中的实验设计、论文撰写工作。采用温和的溶液化学法制备了多种具有不同组成、晶型与形貌的锰氧化物和多元硫属化合物纳米/微米材料。通过选取不同的可溶性锰盐为反应物,以简单的水热处理制备出晶相纯度高的α-、β-、γ-MnO2纳米线,研制了基于MnO2等纳米电极材料的锂离子电池和锌锰电池。是代表性论文3的第一作者,代表性论文6和8的第二作者。本人在该项目研究中的工作量占本人工作量约75%。 马华 项目参加人,在攻读博士期间作为主要参加者,参与了核心发现点1、3中的实验设计、论文撰写工作。探索了Mg、Al、Si等轻质材料在能量储存与转化中的反应规律,考察了其结构-组成-形貌-电极性能之间的关系,开展这些材料在金属-空气电池和锂离子电池等方面的研究,是代表性论文6的第一作者,代表性论文7的第三作者。本人在该项目研究中的工作量占本人工作量约70%。 |
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