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《苏州纳米所轻量化实验室张其冲等与南洋理工大学魏磊团队等合作在Chemical Reviews发表自支撑金属有机框架及衍生物应用于能源存储与转化的综述论文》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
  • 编译者： hujm
  • 发布时间：2022-05-10

  • 近期，中国科学院苏州纳米所轻量化实验室张其冲与南洋理工大学魏磊等团队合作在国际化学领域顶尖期刊Chemical Reviews发表题为Freestanding Metal-Organic Frameworks and Their Derivatives: An Emerging Platform for Electrochemical Energy Storage and Conversion的综述文章，并被选为当期封面。

    　　金属有机骨架（MOF）是一类相对较新的先进多孔材料，由金属离子/团簇和有机连接体通过配位键组装而成，由于其独特的结构多样性、高的比表面积、可调的孔隙率和孔结构以及可控的化学和功能性质而受到广泛关注。在过去的几十年里，MOF材料在能源和材料的应用研究是一个热点。尽管取得了重大进展，但这些MOF/衍生物材料主要以各种粉末形式存在，添加粘合剂将不可避免地增加内阻，掩埋活性位点，并抑制电荷传输。合理的设计自支撑电极不仅可以简化制造过程，消除额外粘合剂/添加剂产生的不良界面，还可以提供所需的高比表面积、丰富的活性位点和增强的电荷转移效率。因此，自支撑结构和MOF的组合有望产生许多协同效应，在电化学储能与转换中实现优异的电化学性能。自支撑MOF/衍生物电极的开发为电化学储能与转换技术带来了新的机遇。

    　尽管现有的综述包含小部分用于能源的自支撑MOFs/衍生物电极，但到目前为止，仍然缺乏关于用于电化学储能和转换应用的自支撑MOFs/衍生物电极的最新发展的系统总结。该综述对自支撑MOFs/衍生物电极的结构特征和制造技术进行了及时而全面的概述。随后，全面总结基于自支撑MOFs/衍生物电极从电化学储能器件到电催化装置的最新进展。最后，基于自支撑MOF/衍生物电极在能量存储与转化的当前发展，从精准合成、性能提升、深层次机理、评估标准、工业化制备和潜在的市场等方面对该领域存在的挑战及潜在的解决方案进行展望，为这一新兴领域的未来发展提供指导。

    　南洋理工大学博士后贺冰博士是该论文的第一作者，中国科学院苏州纳米所张其冲项目研究员和南洋理工大学魏磊副教授等为本文的通讯作者。该论文工作获得了中国科学院“率先行动”引才计划等项目资助。

  • 原文来源：http://www.sinano.cas.cn/news/kyjz/202204/t20220429_6440542.html
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相关报告

  • 《苏州纳米所张其冲等合作AM综述：智能织物中的纤维交错器件》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-07-19
    • 　　智能电子织物融合了电子工程与纺织工程领域的前沿技术成果，为人们提供更加智能化和便捷的生活体验。当前报道的大量智能电子织物中，许多都采用纤维交错（Fiber Crossbar，以下用“FC”指代）结构作为其基本单元。这种结构由两根纤维交叉构成，并在交错点处构成某种电子器件（图1）。当外部刺激（如电流）通过时，纤维交错点的某些特性（如电阻、电容）会发生变化，从而对外部刺激做出响应。FC结构是实现智能可穿戴衣物的有力支撑。首先，与集成电路架构相似，FC能够以点阵的形式，在面料的各个交错点之上布置数量庞大的器件，不仅节省了器件所占用的空间，更为整片面料赋予更为复杂的功能。其次，在FC结构中，相邻的器件之间能够相互协作，实现更为多样化的功能，使每根纤维不再孤立。这种紧密的结构可以将传感、运算、显示、供能等多种功能融合在一起。 　为了全面梳理FC结构的范式与进展，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所轻量化实验室张其冲项目研究员等与南洋理工大学魏磊副教授团队、中国科学院深圳先进技术研究院陈明副研究员合作在国际材料科学领域顶尖期刊Advanced Materials上发表了题为 Fiber crossbars: an emerging architecture of smart electronic textiles的综述文章，全面介绍了智能织物中的FC结构的器件设计、材料选用、制造技术与应用进展。此外，还讨论了纤维交错结构在当前面临的瓶颈挑战和未来的发展趋势。 　　器件是实现一切功能的核心元素。一个FC结构即是一个功能器件，而多个FC结构可以组成更大的阵列，实现更为复杂的模块化功能。如图2所示，该综述首先讨论了基于FC的器件的工作机理、结构设计与材料选用，具体包括基于FC的电阻器（FC-based resistors）、电容器（FC-based capacitors）、纳米发电机 (FC-based nanogenerators) 、忆阻器（FC-based memristors）、晶体管 (FC-based transistors) 、发光器件（FC-based lighting devices）和能量器件（FC-based energy devices）。本篇综述详尽分析了主要文献中报道的FC器件在可穿戴电子领域的主要应用案例。FC器件的主要应用可分为四大类功能：传感、运算、显示、供能。在传感方面，电阻、电容和纳米发电机等感应元件被广泛应用于可穿戴运动监测和位姿监测，为用户提供精准的数据和指导；在运算方面，忆阻器和晶体管等计算元件被用于执行二进制存储、布尔逻辑运算和基于神经形态运算的模式识别，为可穿戴电子设备提供强大的计算能力；在显示方面，各类发光器件被用作基本阵列单元，实现了对基本字母和语句的准确显示；在供能方面，各类超级电容器和太阳能电池被用作获取能量的主要途径，实现了可观的能量收集和转化能力。 　　随着研究的不断推进，FC结构在未来的发展前景十分可观，有望重新塑造医疗护理、人际通讯乃至商用服装等领域的人因设计思路。尽管FC器件具有巨大的潜力，然而综述认为，当前纤维交错器件仍然面临着一些挑战（详见图3）。 　　其中，挑战一是功能集成度不足。目前FC器件的功能仅限于传感、运算、显示和供能等基本功能，而控制和信号交互等重要功能的集成度较低。此外，各类功能还未能有机统一、相互辅助，导致当前的FC系统还处于探索阶段，难以满足复杂应用的需求，离商业化还有很长的路要走。 　　挑战二是智能化水平低。由于集成度不足的问题，FC系统的智能化程度有限。虽然已经实现了数据存储、逻辑运算和神经形态运算的功能，但这些功能仍然比较原始，只能满足简单逻辑（例如“与/或”运算）和小数据量条件下的运算。增加FC传感与运算元件的数量和密度是实现更大规模数据采集和更精准的织物运算的前提条件。 　　挑战三是材料的生物相容性有待提高。一些FC器件所使用的材料价格较高，而且一些材料（例如重金属、无机物）具有生物毒性，可能会在长期穿戴条件下出现泄漏，从而对人体构成安全隐患。因此，需要进一步研究材料的安全性能，以确保FC器件的市场准入性。 　　挑战四是缺乏成熟的评价指标体系。由于FC器件是一种新型的电子器件，目前还没有建立统一的评价指标体系。不同的研究人员在不同的实验环境下使用不同的实验参数，得出的实验结果差异较大，这些结果难以比较，很难衡量各自的优势劣势，也使得对于各类新报道的FC器件的评估变得更加困难。因此，需要建立统一的评价指标体系，以便更好地评估FC器件的性能和功能。 过去几十年，传统的电子设备逐渐演变为可穿戴的智能设备，并进一步分化出可穿戴的智能织物设备。开发功能性纤维以取代传统的纱线和棉线，进而开发“将功能融入织物”的纤维交错器件，对可穿戴产品的发展具有重要的意义。FC器件已被广泛应用于传感、运算、显示和供能等基本功能，并在医疗护理、人际通讯、商用服装等领域展现出广阔的应用前景。然而，当前FC器件在功能集成度、智能化水平、材料生物相容性和评价指标体系等方面仍面临着诸多挑战。因此，需要进一步深入研究FC器件的技术及其应用场景，并积极解决存在的问题，以推动FC器件的商业化进程，并为人类社会的发展带来更大的贡献。 　　南洋理工大学博士生周旭辉是该论文的第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院陈明副研究员、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲项目研究员和南洋理工大学魏磊副教授等为本文的通讯作者。该论文工作获得了中国科学院“率先行动”引才计划等项目资助。
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  • 《苏州纳米所轻量化实验室王锦合作AM：超弹纳米纤维气凝胶构筑“热开关”助力热量可控释放》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2022-10-26
    • 气凝胶具有优异的隔热保温性能，被广泛应用于航空航天、交通运输与建筑节能等领域。然而气凝胶通常只能被动地隔热，即单一地减缓能量从高温的一侧传导至低温的一侧。但如果热量过载，需要将过剩的热量快速耗散，此时气凝胶的存在反而极大地阻碍了热量耗散。因此，如何实现“热量”的掌控，像蓄电池一样实现可控的储存和释放，是一个有待解决的问题。 为此，苏州纳米所轻量化实验室王锦与东南大学孙正明/张培根团队合作，提出超弹"气凝胶温度开关"的概念，即气凝胶自然状态下具有优异的隔热性能，处于热传导“关”的状态；在外力大形变的作用下，热导率的增加与厚度的急剧降低，实现热传导“开”的状态。为了实现热开关的可逆“开”与“关”，另一需要解决的问题即为超弹气凝胶的构筑，同时具有极低的热导率和可靠的抗疲劳性。为此，利用缓慢质子释放策略（SPRG）结合热诱导交联（TIC）的方法制备了超轻超弹的Kevlar纳米纤维气凝胶（HEKA）并成功实现了热开关的应用（图1）。 SPRG-TIC方法所制备的凝胶均一，无裂纹，经干燥后密度仅为4.7 mg/cm3，在高分子气凝胶中处于较低水平。基础表征中发现HEKA的基本结构得以保留（图2），并维持了高比表面积和结构稳定性。 XPS，FTIR等表征中证明了TIC过程中纳米纤维发生了交联，热分析表明经过SPRG-TIC 方法后HEKA的热稳定性不会发生改变，对HEKA在高温下的应用至关重要，SEM中发现交联后的纤维形成了弯弓型结构，这有助于力学性能的提升，最后给出了交联结构形成的可能原因（图3）。由于纳米纤维之间的交联产生的大量弓型结构使得HEKA表现出优异的压缩回弹性，500次压缩后永久形变仅为8.2%，此外在超低温（-196 ℃）下依旧保持着良好的回弹性。 进一步验证了HEKA的隔热保温能力，HEKA上的花瓣在350℃的加热台上15min后仅发生轻微的脱水和萎焉，而在其他耐高温材料上则迅速枯萎碳化。与普通的高分子保温泡沫材料相比，其具有更优的隔热性能和更高的耐温性能，不仅如此，在超低温下的保温能力也优于棉，PU气凝胶等传统保温材料，这体现出HEKA良好的保温隔热能力（图4）。 由于HEKA的超弹性带来的可变热导率，因此我们提出了气凝胶热开关的概念并通过COMSOL理论模拟和实际实验验证了其开关性能。在压缩过程中HEKA的热导率随着压缩程度增大而增大，此外热传导的距离急剧减低，因此我们模拟了HEKA压缩过程的温度变化，并给出了温度分布，最后基于模拟环境我们通过实验验证了所提出的HEKA热开关，并进一步通过实验验证了该开关比为7.5，响应速度快(0.73℃ s-1)，热流密度高(2044 J m-2 s-1)，并具有优异的耐疲劳性能，与当前传统材料相比，其具有轻质且开关比可调的优点。 本研究开发的方法为实现多孔气凝胶的超弹性提供了一条途径，并为热量的保持和耗散提供了一种快速、便捷的策略，此外该工作对气凝胶在智能传感，可控热防护的应用提供了新思路。相关工作以“Hyperelastic Kevlar Nanofiber Aerogels as Robust Thermal Switches for Smart Thermal Management”为题发表在《Advanced Materials》上。论文第一作者为东南大学与苏州纳米所联合培养博士生胡沛英，通讯作者为苏州纳米所轻量化实验室王锦项目研究员和东南大学材料科学与工程学院孙正明教授、张培根副教授。该论文获得了国家自然科学基金重大研究计划培育项目和苏州市科技局基础研究试点项目资助。   原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207638
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