氣凝膠薄膜能源材料的研究進(jìn)展

吳廣明

(同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所上海市特殊人工微結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092)

　　摘要：隨著資源短缺和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，節(jié)能與可再生能源的使用已迫在眉睫，必須研制出新材料以適應(yīng)這種發(fā)展需求。氣凝膠是一種新型納米多孔材料，具有孔洞率高、比表面積大、熱導(dǎo)率低、折射率小且可調(diào)范圍大等特點(diǎn)，被美國第250 期《科學(xué)》雜志列為世界十大熱門科技之一，在建筑節(jié)能、鋰離子電池、太陽能電池等方面具有廣闊應(yīng)用前景。

　　本課題組采用溶膠-凝膠技術(shù)，以TEOS、W 粉末、V2O5 粉末等為原材料，通過溶劑替換、紫外光輻照、混合氣氛處理等技術(shù)以及提拉鍍膜方法在常壓下制備出了面積達(dá)1.2×0.8 m2、致/褪色態(tài)透射率差大于50%、光學(xué)均勻性超過95%、響應(yīng)時(shí)間小于5 s 的WO3 基氣致變色建筑節(jié)能氣凝膠薄膜涂層(見圖1);獲得了密度僅為26mg/cm3、孔隙率達(dá)99.2%、比表面積為188.76 m2/g、比容量達(dá)541.9 mAh/g 的納米復(fù)合V2O5 氣凝膠鋰離子陰極薄膜材料;形成了面積為110×80 cm2、納米結(jié)構(gòu)人為可控、激光損傷閾值達(dá)45.9 J/cm2、折射率在1.18～2.20間可調(diào)、可見光區(qū)平均反射率低于0.84%、太陽能光區(qū)平均反射率低于1.5%的寬帶減反射氣凝膠薄膜(見圖2)。

　　系統(tǒng)研究了WO3 氣凝膠薄膜納米多孔結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)與穩(wěn)定機(jī)制、變色/退色過程中氫氧原子與WO3 結(jié)構(gòu)的相互作用、WO3 薄膜形貌與結(jié)構(gòu)的演變、致/退色循環(huán)耐用性能衰減機(jī)制與抑制機(jī)理、納米摻雜復(fù)合的協(xié)同作用和紫外光與氣體混合后處理機(jī)制，以及V2O5 氣凝膠薄膜電極的電化學(xué)行為、鋰離子和電子的輸運(yùn)特性以及同納米多孔結(jié)構(gòu)的相互作用、比容量影響因素、V2O5 氣凝膠薄膜陰極性能降級(jí)機(jī)制;發(fā)現(xiàn)了WO3 氣凝膠薄膜的變色循環(huán)穩(wěn)定性主要受控于其共角結(jié)構(gòu)，SiO2 納米復(fù)合顯著抑制了其共角結(jié)構(gòu)在致/退色過程中的演變;建立了氣凝膠薄膜多孔結(jié)構(gòu)中粒子的輸運(yùn)模型，極大地豐富納米多孔結(jié)構(gòu)的表面與界面作用理論，為氣凝膠薄膜新材料在建筑高效節(jié)能、鋰離子電池陰極材料、太陽能電池表面減反膜等方面的低成本工業(yè)化應(yīng)用開辟了一條嶄新的技術(shù)路徑。