储能材料| 固体化学

固体化学

新型中间带光伏材料的研发 (Novel intermediate band Materials)

　 Zn-S基材料的带隙一般比较大（3.7 eV），这是由于其价带顶的S-3p轨道与其导带底的Zn-4s能量差值较大造成。而Zr-S基材料的带隙相比较小（1.8 eV），是由于Zr4d轨道能量相对较低，并且会随配位环境的不同而产生d轨道的劈裂，如下图a所示。我们基于“相似相聚”的材料设计理念，成功的将具有不同结构的Zn-S和Zr-S的堆积基元结合到一起形成新型的硫属化合物Ba₆Zn₆ZrS₁₄。Ba₆Zn₆ZrS₁₄由 [Zn₆S₉]^6-和[ZrS₅]^6-一维长链交错出现的堆积而成（其结构如下图b所示）。理论计算结果表明，该材料有着显著的中间带特性。紫外光谱上也表现出了三个吸收边。该工作发表在Chem.- Eur. J. 2014, 20, 1-7.

新型铁基超导材料 (Novel Fe-based Superconductor Materials)

　　高温超导体具有巨大应用潜力和发展前景。2008年2月底，日本东京工业大学的H. Hosono研究组在JACS杂志上首次报导了对LaFeAs(O_1-xF_x)材料的研究，并发现温度在26K时该材料表现超导电性(JACS,130, 3296(2008))。自此铁基超导材料作为新体系获得了广泛关注，目前研究主要集中在FeSe(11), LiFeAs(111), BaFe₂As₂(122),LaFeAsO(1111)以及Sr₂VO₃FeAs(21311)等体系。全球物理学界对铁基超导体的研究已全面展开，研究热点已经从单纯的新材料探索发展为新材料探索和物性、机理研究并重。

　　本课题组早在2008年6月在掺Co或Na的FeSe层状结构中首先报导了超导现象(EPL,86, 37008(2009)。最近利用低温快速烧结方法(JACS,132, 3260(2010))制备出Tc达到57.2K的铁基超导材料，高于高温高压方法合成样品的55K；上临界场最大可到390T，高于常规固相合成样品的300T。该工作很快被Nature Asia Pacific选为研究亮点文章，并有专门的文章“Iron-based superconductors: Keep it cool”对其进行评论。

　　在中科院重要方向性新型铁基超导材料项目的支持，目前本课题围绕LnFeAsO型铁基超导材料合成条件的研究，不同离子掺杂，微结构对超导材料晶体结构和性能的影响，超导材料和薄膜制备和应用探索，新型铁基超导材料设计制备和物理性质研究。

锂电池电极材料和固体电解质 (Lithium Battery Electrode Materials & Solid-State Electrolytes)

　　由于锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、质量轻、自放电小、无记忆效应和对环境友好等优点，已迅速成为移动通讯、笔记本电脑和照相机等便携式电子产品的首选电源，并被逐步开发为电动车、国防装备等的电源。另外锂离子电池与太阳能电池相结合的能量转换与储存器件研究具有良好的应用前景。传统锂离子电池采用的液态电解质容易产生泄漏、腐蚀、燃爆等安全隐患，而锂离子固体电解质可完全解决这些问题，全固态是锂离子电池必由之路。调研显示，2014年汽车用锂电市场规模将高达248亿美元，因此锂离子电池电极材料以及锂离子电池固态化现已成为新能源领域中研究与开发的热点。

　　课题组在此方向上通过材料微结构设计、合成工艺调节，开发出具有高比容量、高倍率充放、高振实密度的适合动力电池应用的锂离子正极材料；从新材料晶体结构设计、纳米晶复合模型为切入点进行全固态锂离子电池中关键固体电解质材料的研究。已申请专利10余项，其中6项获得中国专利授权。近期课题组巧妙的设计了硫分子/石墨烯的新型复合电极结构，得到高电化学特性的锂硫电池正极材料。球磨过程可解离硫晶体结构，由此产生的S₈单分子可均匀固定在高导电性的石墨烯表面，而不呈现颗粒状。这种独特的结构有利于锂离子的快速嵌入与脱出和电子的输运，有利于缓解充放电过程中的体积膨胀，有利于充放电过程中产生的Li₂S和Li₂S₂的分散。此外，石墨烯的p电子与硫（或S_x^2-）的3p电子有强相互作用，从而减小穿梭效应。因此，硫分子/石墨烯的新型复合材料具有良好的锂离子存储性能。含硫量为73 wt.%的石墨烯/硫复合正极材料，在0.1C（167.5 mA g^-1）电流密度下，放电比容量高达1502 mAhg^-1。当电流密度增加到2C时，比容量还能达到560 mAh g^-1。该正极材料在高电流密度1C下有良好的循环稳定性，在100个循环后比容量还能保持在615 mAh g^-1，相应的平均库伦效率为96.1%，优于文献报导值。相关工作发表于Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1283。

新型LED用荧光材料 (Novel Phosphors for Light Emitting Diodes)

　　荧光材料是指能将紫外光或者红外光转换成可见光的一类重要的功能材料和能源材料，可广泛应用于发光二极管、等离子体显示器、荧光探测等领域。其中，LED是利用PN结中电子空穴的复合释放特定波长的光子，再激发荧光材料，产生各种颜色的光。与传统白炽灯相比，LED具有少耗能、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等优点。因此，LED发光被誉为“21世纪绿色光源”。在LED内部，除过LED芯片，另外一个重要组成部分就是荧光材料。目前所使用的荧光材料普遍存在显色性差、发光效率低、稳定性差、光衰大等问题。因此，开发高效稳定的荧光材料已成为一项迫在眉睫的工作。

　　我们的研究主要集中在新型荧光材料的制备、性能表征以及薄膜化。寻找基质材料，制备高发光强度、高转换效率的荧光材料；对基质材料不同位置进行掺杂，研究不同格点晶体环境对发光性能的影响；利用磁控溅射技术对荧光材料进行薄膜化的探索研究。目前，我们已经成功制备出掺Bi³⁺、Mn²⁺、Eu³⁺等一批性能优异的锑酸盐、铌酸盐、氧硫化物荧光材料。我们将继续努力为社会增添一份绚丽的色彩。