我校青年教師在材料學(xué)頂級雜志接連發(fā)表高水平論文

近日，我校電子信息與人工智能學(xué)院青年教師孫梓雄博士與輕工科學(xué)與工程學(xué)院（柔性電子學(xué)院）青年教師韓慶鑫博士分別于4月11日與12日在材料領(lǐng)域頂級雜志Materials Horizons發(fā)最新研究成果，兩篇論文的詳細(xì)報(bào)道如下：

(a) P-E loops of BCZT-xBZT ceramics with corresponding energy storage performances; (b) Comparison of the W_rec and W/E ratio between BCZT-xBZT with x=0.15 and 0.17 in our work and some typical BZT-based ceramics

孫梓雄博士一直從事電介質(zhì)功能材料與器件的研究工作。作為電介質(zhì)電容器的常用材料體系，BaTiO₃-BiMeO₃（BT-BiMeO₃）憑借其優(yōu)異的能量存儲特性在近年來受到廣泛研究。在該體系中，Bi與Me一般分別進(jìn)入BT的A位與B位形成固溶體并同時(shí)發(fā)生鐵電-弛豫鐵電相變（FE-to-RFE phase transition），其中Me為三價(jià)離子或等效三價(jià)離子。當(dāng)下對該體系的研究大多集中于對BiMeO₃的調(diào)控與優(yōu)化，而對BT的改性少有報(bào)道（詳見孫梓雄博士的前期綜述論文https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201900698 ）。作為BT的一種常見固溶體，Ba_1-xCa_xTi_1-yZr_yO₃ (BCZT) 憑借其成分與結(jié)構(gòu)的高度可調(diào)性在氧化物功能材料領(lǐng)域始終占據(jù)著一席之地，其中Ca與Zr分別可以30%摩爾分?jǐn)?shù)與任意比例的固溶極限進(jìn)入BT的A位與B位并帶來局域性的成分起伏、降低電疇翻轉(zhuǎn)勢壘、利好能量存儲能力的提升?；诖耍撗芯恳?1-x)Ba_0.15Ca_0.85Zr_0.1Ti_0.9O₃-xBi(Zn_2/3Ta_1/3)O₃(BCZT-xBZT)為研究對象，采用傳統(tǒng)固相法成功制備出上述體系陶瓷。經(jīng)測試與表征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)x=0.15時(shí)該體系擁有最高的儲能密度（W_rec），且儲能密度擊穿場強(qiáng)比（用來表征單位場強(qiáng)下陶瓷所激發(fā)出的儲能密度，即W/E）最大。不但表現(xiàn)出了優(yōu)異的能量存儲行為，而且在該過程中保證了極低的能量消耗，如圖1。這一優(yōu)異的性能主要?dú)w因于該組分極化強(qiáng)度的雙重提升，即界面極化與偶極子極化。前者來源于p4mm與pm3m兩相界面處的晶格畸變；后者來源于BZT在固溶過程中產(chǎn)生的缺陷偶極子。上述工作以“Polarization double-enhancement strategy to achieve super low energy consumption with ultra-high energy storage capacity in BCZT-based relaxor ferroelectrics”為題已在線發(fā)表。全文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d4mh00322e 。本工作受到國家自然基金青年項(xiàng)目、微納電子材料與器件湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題、輕化工助劑與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的資助。合作單位包括陜西師范大學(xué)、西安交通大學(xué)、湖北大學(xué)、武漢紡織大學(xué)與荷蘭特文特大學(xué)（University of Twente）。

CN/Cr₂O₃/Ru-X電催化劑的制備原理示意圖及其在堿性（pH = 14）中的HER性能

韓慶鑫副教授為生物質(zhì)與功能材料研究所（王學(xué)川教授科研團(tuán)隊(duì)）成員，長期從事生物質(zhì)資源化利用及功能材料的研究。固體廢棄物的處理也是構(gòu)建廢棄物循環(huán)利用體系是實(shí)施全面節(jié)約戰(zhàn)略、保障國家資源安全、積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和、加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型的重要舉措。制革廢棄物高價(jià)值回收已成為皮革行業(yè)的關(guān)鍵關(guān)注點(diǎn)，尤其是處理鞣革后產(chǎn)生的鉻革屑，是迫切需要解決的問題。如果能利用含鉻革屑制備含鉻電催化劑，將其中的鉻轉(zhuǎn)化為具有高附加值的產(chǎn)物，既可消除皮革廢棄物對環(huán)境的污染又符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的要求。基于此，韓慶鑫等人利用鉻革屑膠原纖維表面官能團(tuán)在熱解過程中固定Ru原子，成功制備了一種具有廣泛pH適用范圍的析氫反應(yīng)（HER）電催化劑。由于含鉻革屑表面存在大量的氨基，釕離子（Ru³⁺）可以通過形成CL-NH₂-Ru絡(luò)合物吸附在含鉻革屑的表面，這使其在高溫煅燒的過程會盡可能避免形成Ru納米顆粒，而且含鉻革屑當(dāng)中的鉻元素也可以起到提升HER性能的作用。優(yōu)化后的樣品CN/Cr₂O₃/Ru-1表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能，在1.0 M KOH中，電流密度為10 mA cm ^-2時(shí)的過電位僅為-28 mV，在酸性和中性電解液中也表現(xiàn)出良好的電催化性能，超過了已報(bào)道的大多數(shù)以Ru為催化中心的催化劑。密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，Cr₂O₃中的氧（O）和鉻（Cr）能與釕（Ru）原子的配位模式發(fā)生有利的相互作用，從而闡明了CN/Cr₂O₃/Ru中Cr對催化中心Ru的協(xié)同增強(qiáng)作用。該研究工作既為含鉻制革廢棄物提供了綠色處理方案，又為開發(fā)高性能、低成本電催化劑開辟了新途徑，展現(xiàn)了環(huán)保與新能源材料研發(fā)的雙重潛力。上述工作以“Atomic-scale Ru anchored on chromium-shavings as a precursor for a pH-universal hydrogen evolution reaction electrocatalyst”為題已在線發(fā)表，全文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01951a 。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21908140），陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃（22JP006），輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和陜西省輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金（KFKT2021-15）的資助。

新聞小貼士：

Materials Horizons是英國皇家化學(xué)協(xié)會（Royal Society of Chemistry）旗下材料領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)性期刊，發(fā)表高質(zhì)量、高創(chuàng)新性的研究成果。更加側(cè)重于原創(chuàng)性研究，強(qiáng)調(diào)所發(fā)表論文要提出新的概念或思維方式。該雜志每年發(fā)稿量僅為300篇左右，最新影響因子（Impact Factor）為13.3。上述優(yōu)秀科研成果的成功發(fā)表進(jìn)一步表明我校在相關(guān)領(lǐng)域已處于世界先進(jìn)水平，同樣標(biāo)志著我校近年來在人才引進(jìn)工作取得了持續(xù)性的優(yōu)異重要成績。

（核稿：雷濤 編輯：劉倩）