電介質儲能、壓電催化、介電彈性體、多鐵材料等研究進展匯總

     高性能介電電容器對于*電子和電力系統至關重要。聚合物介電材料由于具有高介電常數、柔韌性好、低密度、易加工等優點，在介質電容器中得到了廣泛的應用。然而，如何同時提高這些介電聚合物的能量密度和效率仍然是一個挑戰。近日，武漢理工大學張鑫研究員與清華大學南策文院士等人合作，提出了一種簡便和可擴展的增材制造方法，通過調節聚甲基丙烯酸甲酯組分的空間分布，制備了一種具有連續梯度結構的鐵電聚偏二氟乙烯基全有機介電聚合物薄膜。在全有機介電聚合物薄膜中，連續的面外組成梯度可以調節電學和力學行為，從而通過調節與局部電場和應力耦合相關的機電擊穿過程，顯著提高擊穿強度。在電場強度為800 kV mm^?1時，梯度聚合物薄膜的超高放電能量密度為38.8 J cm^?3，放電效率為>80%，這是迄今為止報道的最高能量密度。相關工作以“Ultrahigh Energy Density in Continuously Gradient-Structured All-Organic Dielectric Polymer Films”為題發表在最新一期的《Advanced Functional Materials》。

同濟大學AM：通過無公度反鐵電相的可調疇變特性實現高儲能反鐵電陶瓷

近日，同濟大學翟繼衛教授課題組針對反鐵電無公度相進行調制，設計了由La³⁺摻雜誘導的室溫無公度反鐵電相，通過少量添加Cd²⁺以增強燒結特性并優化微觀結構，制備了高性能(Pb_0.91-xCd_xLa_0.06)(Zr_0.6Sn_0.4)O₃反鐵電陶瓷。當Cd²⁺僅為0.03時具有超高儲能性能，870 kV·cm^-1高場下，儲能密度W_rec高達~19.3 J·cm^-3，儲能效率η保持在~91%。同時，放電能量密度可達~15.4 J·cm^-3。原位測試表明，PbZrO₃基反鐵電陶瓷優異的儲能性能源于無公度反鐵電相到弛豫鐵電相的特殊相變。該工作以"Tunable Domain Switching Features of the Incommensurate Antiferroelectric Ceramics Realizing Excellent Energy Storage Properties"為題發表在 Advanced Materials 期刊上。

南昌大學國際有序物質科學研究院艾勇教授、熊仁根教授課題組：含鉻(Ⅱ)的二維有機-無機雜化鈣鈦礦多鐵材料

鈣鈦礦材料由于其豐富的電學、磁學、光電學特性，在過去的幾十年里引起了人們廣泛的關注。其中，多鐵鈣鈦礦具有多種鐵性（鐵電性、鐵彈性和鐵磁性），是一種重要的電子材料，應用領域十分廣泛，包括非易失性存儲器、超聲波探測器、壓電傳感器和二階非線性開關等。以往多鐵材料的研究以無機氧化物鈣鈦礦為主，如BiFeO₃、BiMnO₃和TbMnO₃等，這類材料通常具有鐵電性和鐵磁性的特征。近年來，有機-無機雜化分子基材料由于其結構可調性、薄膜器件易于制備和加工的原因，被視為傳統無機材料的重要補充，受到了國內外的廣泛關注。近日，南昌大學國際有序物質科學研究院艾勇教授、熊仁根教授課題組報道了含鉻(Ⅱ)的二維有機-無機雜化鈣鈦礦多鐵材料，即，[DFCBA]₂CrCl₄。研究表明，在387 K的溫度下，[CrCl₆]八面體的畸變和[DFCBA]⁺的有序-無序運動觸發了[DFCBA]₂CrCl₄的順電-鐵電轉變；無機陰離子層中Cr²⁺離子之間的鐵磁耦合使其在居里溫度32.6 K下變為鐵磁體。

西安交大張志成教授團隊Chem. Eng. J.：在介電彈性體類人工肌肉材料中取得新進展

近日，西安交通大學化學學院張志成教授團隊通過對分子結構設計，得到了具有較大介電常數（11.2）和高擊穿場強的新型聚氯乙烯基介電彈性體，實現了低驅動電場下的大應變（85 MV/m應變為-38%）。在相同電場強度下，該材料與現有報道的自支撐介電彈性體相比具有最大的形變量。此外，通過簡單工藝制備的自支撐柔性驅動器在低驅動電壓（150 V）即可產生明顯形變。該研究成果以Dielectric Elastomer with Excellent Electromechanical Performance by Dipole Manipulation of Poly(vinyl chloride) for Artificial Muscles under Low Driving Voltage Application 為題發表在Chem. Eng. J., 2022, 441, 13600上

浙大羅英武團隊ACS Materials Lett.：本征各向異性的介電彈性體纖維驅動器

仿生的人工肌肉驅動器已經受到了廣泛的關注。其中，介電彈性體驅動器由于其變形快速且可尋址（獨立控制）的特性，已成為一種非常具有前景的人工肌肉技術。生物肌肉由取向的柔性驅動單元組成，因此可以產生具有方向性的線性驅動行為；而合成彈性體通常是各向同性的，因此單層的介電彈性體驅動器通常只能輸出無方向性的平面擴張變形，這限制了其實際應用。針對這一挑戰，浙江大學化工學院羅英武教授團隊使用先前團隊報道的“力熱訓練”手段（Mater. Horiz., 2021, 8, 2834; Nanoscale, 2020, 12, 7514.）制備了本征各向異性的三嵌段共聚物彈性體（SBAS）薄膜，并通過卷繞法制備了具有阿基米德螺旋多層結構的介電彈性體纖維驅動器，利用彈性體的各向異性限制纖維驅動器的徑向變形并增強其軸向變形。理論分析和實驗結果均表明，適當的正交模量比（~2.8）即可實現顯著增強的方向性輸出：各向異性纖維驅動器在900 V的電壓下可以實現6%的線性軸向驅動變形，是各向同性纖維驅動器的兩倍。由于SBAS的自粘結性，各向異性驅動器可以組裝為纖維束，這使得驅動器的力可以得到線性放大。更重要的是，纖維束中單根纖維的獨立且可編程的控制可以實現伸長、彎曲、旋轉等多種變形模式。

哈工大（深圳）李朝林、王文輝團隊ACB：壓電促進Bi2Fe4O9納米片活性位點（Fe2+）再生強化過硫酸鹽活化

近日，哈爾濱工業大學（深圳）李朝林、王文輝團隊在Applied catalysisB: Environmental上發表了題為“Piezo-promoted regeneration of Fe²⁺ boosts peroxydisulfate activation by Bi₂Fe₄O₉ nanosheets”的研究論文(DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121330)。論文以鐵酸鉍（Bi₂Fe₄O₉）壓電催化劑為例，闡明了壓電電子能有效促進壓電材料活性位點再生，進而強化過二硫酸鹽（PDS）活化性能的機理。DFT計算和實驗研究證實了鐵酸鉍納米片中Fe²⁺作為活性位點為PDS活化生成SO•? 4貢獻電子，同時壓電電子可以加速Fe²⁺的再生，從而獲得了優異的催化活性。這項工作在原子尺度上提供了壓電催化PDS活化機理的認識，有望促進基于壓電催化的高級氧化工藝（AOPs）的高效發展。