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作者簡介

張荻，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講席教授（教育部長江學(xué)者）。1982年西安交通大學(xué)機械系本科畢業(yè)，1985、1988年獲大阪大學(xué)碩士、博士學(xué)位，1988年9月起在上海交通大學(xué)任教。現(xiàn)擔(dān)任金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室主任，國家973項目首席科學(xué)家、中國復(fù)合材料學(xué)會常務(wù)理事、金屬基及陶瓷基復(fù)合材料專業(yè)委員會主任。《復(fù)合材料學(xué)報》副主編，《金屬學(xué)報》、《科學(xué)通報》、國際期刊《Composites Science and Technology》編委。先后在日本Yuasa中央研究所、大阪大學(xué)超高壓電鏡中心、京都大學(xué)材料系、佐賀大學(xué)電子系和德國Max-Planck金屬研究所、法國特魯瓦大學(xué)機械材料并行實驗室作訪問學(xué)者和教授。2021年11月3日，張荻教授領(lǐng)銜團隊的“秉承自然生物精細(xì)構(gòu)型的遺態(tài)材料”項目榮獲2020年度國家自然科學(xué)獎二等獎。

研究背景

當(dāng)超級電容器需要滿足快速響應(yīng)和有限空間應(yīng)用中的緊急需求時，高體積功率/能量密度必不可少，因此開發(fā)能夠在超高速率下提供高體積電容 (C_v) 和實際應(yīng)用可接受的面積電容 (C_a) 的電極至關(guān)重要。然而，在超高速率（≥1000 mV s^-1）下運行的電極難以同時實現(xiàn)高C_a和高C_v，高C_v的超薄致密電極往往由于低質(zhì)量負(fù)載導(dǎo)致低C_a，而高C_a的高負(fù)載電極往往因為結(jié)構(gòu)松散而導(dǎo)致C_v的降低。該困境與離子傳輸?shù)耐ǖ览寐视嘘P(guān)，尤其是在高速率下。

最新研究

?這個團隊剛獲國家自然科學(xué)二等獎，再發(fā)Nature Nanotech.！

為了解決上述挑戰(zhàn)，上海交通大學(xué)張荻教授、劉慶雷研究員、顧佳俊教授聯(lián)合加州大學(xué)洛杉磯分校Y. Morris Wang（共同通訊）等人報道了一種剝離-碎裂-重新堆疊策略，用于合成基于二維1T-MoS₂量子片的厚度可調(diào)（1.5~24.0 μm）致密電極薄膜。這些薄膜具有獨特的結(jié)構(gòu)，具有致密的窄（<1.2 nm）和超短（~6.1 nm）疏水納米通道用于限制離子傳輸。這些電極不僅使每單位面積的垂直離子傳輸納米通道增加了十倍，而且水平面間離子擴散長度比其2D片狀對應(yīng)物短十倍。完全互連的離子快速傳輸結(jié)構(gòu)單元的最佳電極結(jié)構(gòu)使這些致密的電極能夠在各種電解液中提供出色的儲能性能。

其中，在2000 mV s^-1的超高速率下測試的14 μm電極不僅可以提供0.63 F cm^-2的高面積電容而且還有437 F cm^-3的超高體積電容，比報道的其他電極的體積電容高一個數(shù)量級。密度泛函理論（DFT）和從頭算分子動力學(xué)（AIMD）模擬表明，水合作用和納米級通道在實現(xiàn)超快離子傳輸和增強電荷存儲方面起著至關(guān)重要的作用：溶劑化的存在可以大大削弱質(zhì)子與 MoS₂表面的相互作用，從而有利于離子擴散；疏水性、超短（<10 nm）納米通道中的質(zhì)子傳輸研究表明，當(dāng)通道寬度接近1.0 nm時，由于獨特的 Grotthuss“跳躍-轉(zhuǎn)向”限制傳輸機制，導(dǎo)致擴散常數(shù)高一個數(shù)量級。

這項工作為在厚而致密的薄膜中產(chǎn)生快速離子傳輸通道提供了一種通用策略，用于能量存儲和過濾應(yīng)用。由于重新堆疊方法可以通過控制水合程度產(chǎn)生廣泛的層間距，并且不再有眾多主體材料的尺寸限制，因此該策略也可適用于其他金屬或半導(dǎo)體2D材料，可以實現(xiàn)更高質(zhì)量電容的輕質(zhì)材料。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化（例如量子片的大小和形狀以及水合程度）可能有助于提高 2D 量子片薄膜在儲能或過濾應(yīng)用中的性能。

圖文詳情

圖1. 二維1T-MoS₂量子片薄膜的設(shè)計和制造示意圖

圖2. 二維1T-MoS₂量子片薄膜的表征

圖3. 水合二維1T-MoS₂量子片電極在0.5 M H₂SO₄中的電化學(xué)性能

圖4. 1T-MoS₂量子片電極與其他電極在超高速率下的C_v/C_a比較

其他通訊作者簡介

?這個團隊剛獲國家自然科學(xué)二等獎，再發(fā)Nature Nanotech.！

顧佳俊，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，國家自然科學(xué)基金青年、面上項目函評專家，2012年入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”。主要從事基于自然生物模板的新型功能材料(遺態(tài)材料)的設(shè)計制備、性能研究與深入機理分析。主持自然科學(xué)基金面上項目、青年項目多項，作為骨干參與國家973項目、國家自然基金重點項目、國家863項目等多項。2021年11月3日，顧佳俊教授排序第三位的“秉承自然生物精細(xì)構(gòu)型的遺態(tài)材料”項目榮獲2020年度國家自然科學(xué)獎二等獎。

劉慶雷，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究員。2001年于上海交通大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2006年日本大阪大學(xué)從事合作研究，2009年獲上海交通大學(xué)工學(xué)博士，同年留校工作，工作期間獲上海交通大學(xué)SMC-晨星優(yōu)秀青年教師、優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文指導(dǎo)教師等獎項。2015年赴美國佐治亞理工學(xué)院合作研究，從事新型電池和超級電容器關(guān)鍵材料和器件研發(fā)。工作期間，先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金重點、國家自然科學(xué)基金面上、973子課題、863、上海市自然科學(xué)重點基金、上海市自然科學(xué)基金等項目。

文獻(xiàn)信息

Chen, W., Gu, J., Liu, Q. et al. Two-dimensional quantum-sheet films with sub-1.2?nm channels for ultrahigh-rate electrochemical capacitance, Nat. Nanotechnol. (2021). https://doi.org/10.1038/s41565-021-01020-0

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