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曹宁团队在新型无机功能材料研究方面取得系列进展
发布时间:2020-12-14 11:29:46点击数:字号:
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会议报告人 审核人 蒋大森
学术报告 简介

【本站讯】近日,材料科学与工程学院曹宁团队在新型无机功能材料研究方面取得系列进展,相关研究成果分别发表在Energy Storage Materials, Nano-Micro Letters, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Science & Technology, Separation and Purification Technology等国际知名学术期刊上。该系列成果得到国家自然科学基金、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金和中央高校基本科研业务费资助。

石墨烯、碳纤维、金属氧化物、硫化物和二维层状结构的金属碳/氮化物(MXene)等无机非金属材料由于其独特晶体结构、丰富的化学键类型、良好的环境适应性,在清洁能源的储存与转化、环境治理、传感等多个领域应用潜力巨大。当前,推动高活性、低成本的无机柔性储能器件和油水分离材料的开发已成为无机非金属材料领域的一大研究热点。为此,曹宁团队在前期二维层状无机复合构型功能化调控机制研究的基础上,从无机纳米复合构型搭建和材料表面化学出发,通过价态调控、元素掺杂、自组装、柔性设计等策略,提升材料的能量转换效率、电荷存储和油水分离性能,揭示材料中界面化学反应活性-储能机理、超润湿功能化修饰-选择性吸附性能、元素掺杂-电化学催化性能等构-效关系的微观本质,为新型无机功能材料的设计与能源环境器件开发提供了科学依据和理论支持。

题为《最新的进展在氟掺杂/氟化碳基材料应用于超级电容器》(Recent advances in fluorine-doped/fluorinated carbon-based materials for supercapacitors)的论文发表在工程技术类TOP期刊Energy Storage Materials上,第一作者为硕士生王腾,通讯作者为曹宁副教授。该论文全面介绍了石墨烯氟化衍生物电极材料的研究进展、氟掺杂/氟化碳材料的基本机理、性能指标以及实际的电荷储存过程,揭示了其潜在的应用优势并对主要的制备工艺进行了比较,提出维度决定氟掺杂/氟化碳基材料超级电容性能的关键参数之一。通过对氟原子的电化学性能进行讨论,说明氟原子引入对材料电化学性能的影响规律,从而为后续氟化材料作为超级电容器电极的相关研究提供了重要参考。

题为《提升Ti3C2Tx作为超级电容器电极材料的电容性能:从可控合成到结构的构建》(Enhancing capacitance performance of Ti3C2TxMXene as electrode materials of supercapacitor: From controlled preparation to composite structure construction)的论文发表在工程技术类TOP期刊Nano-Micro Letters上,第一作者为臧晓蓓博士,通讯作者为曹宁副教授。Ti3C2Tx是一种新型的二维层状材料,由于其良好的金属导电性,氧化还原反应活性表面等优点,被广泛用作超级电容器的电极材料。但是,Ti3C2Tx存在着诸如钛的重新堆积,重新压碎和氧化等阻碍了其获得理想比电容的挑战。为此,该论文总结了改善Ti3C2Tx基超级电容器电极材料的比电容的最新策略,例如成膜,表面改性和复合方法,分析了不同电解质中的储能性能及其影响因素,并对超级电容器中Ti3C2Tx材料的研究方向给予预测。

题目为《1T/2H混合相MoS2纳米片与3D氮掺杂石墨烯衍生物的集成以增强电催化氢释放》(1T/2H mixed phase MoS2nanosheets integrated by a 3D nitrogen-doped graphene derivative for enhanced electrocatalytic hydrogen evolution)的研究论文发表在工程技术类TOP期刊ACS Applied Mateials & Interfaces上。第一作者为臧晓蓓博士,通讯作者为曹宁副教授。该工作通过对低成本氮源尿素分子的剪裁和简便的溶剂热法,制备出具有三维多孔结构的混合相MoS2/氮掺杂石墨烯衍生物,系统地探究了氮掺杂剂/溶剂对于MoS2耦合石墨烯的复合形貌、半导体相到金属相的转变的影响,同时证明了其具有改善孔结构的作用,优化后的复合衍生物呈现出优异的电催化析氢性能。

题为《有限还原控制提高柔性同轴纤维锌离子电池混合价锰氧化物的储锌性能》(Enhanced zinc storage performance of mixed valent manganese oxide for flexible coaxial fiber zinc-ion battery by limited reduction control)的研究论文发表在工程技术类TOP期刊Journal of Materials Science & Technology上。第一作者为臧晓蓓博士,通讯作者为曹宁副教授。该工作使用肼蒸气有限地还原MnO2制备MnOx,阐述了混合价态锰氧化物的微观组织和化学结构。通过分子动力学模拟,对不同价态阴极材料对锌离子扩散动力行为、电极/离子界面稳定性和吸附性进行了详细地计算和深入地分析。基于该材料组装了具有高电化学性能和柔韧性的同轴纤维ZIBs。其可逆容量为255.8 mAh/g,经过1000次弯曲变形后容量保持率高达80%。

题为《专为高效油/水分离设计的具有超润湿选择性和阻燃性的功能化碳纤维毡》(Functionalized carbon fiber felts with selective superwettability and fire retardancy: Designed for efficient oil/water separation)的论文发表在工程技术大类TOP期刊Separation and Purification Technology上。第一作者和通讯作者为曹宁副教授。该工作采用简单、高效且低成本的紫外(UV)-O3-重氮表面改性技术,制备出兼具超润湿性和阻燃性的碳纤维毡。其中,UV功能性碳纤维毡(UV-CFF)在空气中具有超双亲和水下超疏油特性,而4-三氟甲基重氮苯盐酸盐对UV-CFF进行表面改性所得碳纤维毡(f-CFF)则具有超疏水特性。UV-CFF对油的截留率达100%,f-CFF对水的截留率达98.21±0.7%,f-CFF的破乳能力达99.9%。由于其耐腐蚀、易制造、循环稳定性好且兼具阻燃性的特点,该系列碳纤维毡在应对不同水环境修复和化工油水分离场景中,具有重要而广泛的应用价值

曹宁团队长期从事新型无机功能材料在新能源与环境相关领域的应用基础研究。近年来在国家自然科学基金、山东省自然科学基金等资助下开展了碳基油水分离材料及产品研发、高效HER电催化剂的设计合成、电化学储能材料等方面的研究工作,授权国家发明专利7项,获山东省专利奖三等奖1项;发表学术论文40余篇,累积指导硕士生20余人,其中,1篇论文获评山东省优秀硕士学位论文、1人获评国家奖学金、1人获山东省优秀毕业生称号、2人获国家励志奖学金。在“第五届中国大学生材料热处理创新创业大赛”、“第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛”、“第十二届“挑战杯”大学生创新创业计划竞赛”和“东营市首届油地校融合创新创业大赛”等创新创业活动中,获得二等奖2项,省级银奖和省级铜奖各1项。

论文连接:

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

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

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

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

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

【 作者:刘玉丽 单宝来 来自:材料科学与工程学院 科技处  责任编辑:姜洪明 审核:蒋大森】

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