电介质储能、压电催化、介电弹性体、多铁材料等研究进展汇总

     高性能介电电容器对于*电子和电力系统至关重要。聚合物介电材料由于具有高介电常数、柔韧性好、低密度、易加工等优点，在介质电容器中得到了广泛的应用。然而，如何同时提高这些介电聚合物的能量密度和效率仍然是一个挑战。近日，武汉理工大学张鑫研究员与清华大学南策文院士等人合作，提出了一种简便和可扩展的增材制造方法，通过调节聚甲基丙烯酸甲酯组分的空间分布，制备了一种具有连续梯度结构的铁电聚偏二氟乙烯基全有机介电聚合物薄膜。在全有机介电聚合物薄膜中，连续的面外组成梯度可以调节电学和力学行为，从而通过调节与局部电场和应力耦合相关的机电击穿过程，显著提高击穿强度。在电场强度为800 kV mm⁻¹时，梯度聚合物薄膜的超高放电能量密度为38.8 J cm⁻³，放电效率为>80%，这是迄今为止报道的最高能量密度。相关工作以“Ultrahigh Energy Density in Continuously Gradient-Structured All-Organic Dielectric Polymer Films”为题发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》。

同济大学AM：通过无公度反铁电相的可调畴变特性实现高储能反铁电陶瓷

近日，同济大学翟继卫教授课题组针对反铁电无公度相进行调制，设计了由La³⁺掺杂诱导的室温无公度反铁电相，通过少量添加Cd²⁺以增强烧结特性并优化微观结构，制备了高性能(Pb_0.91-xCd_xLa_0.06)(Zr_0.6Sn_0.4)O₃反铁电陶瓷。当Cd²⁺仅为0.03时具有超高储能性能，870 kV·cm^-1高场下，储能密度W_rec高达~19.3 J·cm^-3，储能效率η保持在~91%。同时，放电能量密度可达~15.4 J·cm^-3。原位测试表明，PbZrO₃基反铁电陶瓷优异的储能性能源于无公度反铁电相到弛豫铁电相的特殊相变。该工作以"Tunable Domain Switching Features of the Incommensurate Antiferroelectric Ceramics Realizing Excellent Energy Storage Properties"为题发表在 Advanced Materials 期刊上。

南昌大学国际有序物质科学研究院艾勇教授、熊仁根教授课题组：含铬(Ⅱ)的二维有机-无机杂化钙钛矿多铁材料

钙钛矿材料由于其丰富的电学、磁学、光电学特性，在过去的几十年里引起了人们广泛的关注。其中，多铁钙钛矿具有多种铁性（铁电性、铁弹性和铁磁性），是一种重要的电子材料，应用领域十分广泛，包括非易失性存储器、超声波探测器、压电传感器和二阶非线性开关等。以往多铁材料的研究以无机氧化物钙钛矿为主，如BiFeO₃、BiMnO₃和TbMnO₃等，这类材料通常具有铁电性和铁磁性的特征。近年来，有机-无机杂化分子基材料由于其结构可调性、薄膜器件易于制备和加工的原因，被视为传统无机材料的重要补充，受到了国内外的广泛关注。近日，南昌大学国际有序物质科学研究院艾勇教授、熊仁根教授课题组报道了含铬(Ⅱ)的二维有机-无机杂化钙钛矿多铁材料，即，[DFCBA]₂CrCl₄。研究表明，在387 K的温度下，[CrCl₆]八面体的畸变和[DFCBA]⁺的有序-无序运动触发了[DFCBA]₂CrCl₄的顺电-铁电转变；无机阴离子层中Cr²⁺离子之间的铁磁耦合使其在居里温度32.6 K下变为铁磁体。

西安交大张志成教授团队Chem. Eng. J.：在介电弹性体类人工肌肉材料中取得新进展

近日，西安交通大学化学学院张志成教授团队通过对分子结构设计，得到了具有较大介电常数（11.2）和高击穿场强的新型聚氯乙烯基介电弹性体，实现了低驱动电场下的大应变（85 MV/m应变为-38%）。在相同电场强度下，该材料与现有报道的自支撑介电弹性体相比具有最大的形变量。此外，通过简单工艺制备的自支撑柔性驱动器在低驱动电压（150 V）即可产生明显形变。该研究成果以Dielectric Elastomer with Excellent Electromechanical Performance by Dipole Manipulation of Poly(vinyl chloride) for Artificial Muscles under Low Driving Voltage Application 为题发表在Chem. Eng. J., 2022, 441, 13600上

浙大罗英武团队ACS Materials Lett.：本征各向异性的介电弹性体纤维驱动器

仿生的人工肌肉驱动器已经受到了广泛的关注。其中，介电弹性体驱动器由于其变形快速且可寻址（独立控制）的特性，已成为一种非常具有前景的人工肌肉技术。生物肌肉由取向的柔性驱动单元组成，因此可以产生具有方向性的线性驱动行为；而合成弹性体通常是各向同性的，因此单层的介电弹性体驱动器通常只能输出无方向性的平面扩张变形，这限制了其实际应用。针对这一挑战，浙江大学化工学院罗英武教授团队使用先前团队报道的“力热训练”手段（Mater. Horiz., 2021, 8, 2834; Nanoscale, 2020, 12, 7514.）制备了本征各向异性的三嵌段共聚物弹性体（SBAS）薄膜，并通过卷绕法制备了具有阿基米德螺旋多层结构的介电弹性体纤维驱动器，利用弹性体的各向异性限制纤维驱动器的径向变形并增强其轴向变形。理论分析和实验结果均表明，适当的正交模量比（~2.8）即可实现显著增强的方向性输出：各向异性纤维驱动器在900 V的电压下可以实现6%的线性轴向驱动变形，是各向同性纤维驱动器的两倍。由于SBAS的自粘结性，各向异性驱动器可以组装为纤维束，这使得驱动器的力可以得到线性放大。更重要的是，纤维束中单根纤维的独立且可编程的控制可以实现伸长、弯曲、旋转等多种变形模式。

哈工大（深圳）李朝林、王文辉团队ACB：压电促进Bi2Fe4O9纳米片活性位点（Fe2+）再生强化过硫酸盐活化

近日，哈尔滨工业大学（深圳）李朝林、王文辉团队在Applied catalysisB: Environmental上发表了题为“Piezo-promoted regeneration of Fe²⁺ boosts peroxydisulfate activation by Bi₂Fe₄O₉ nanosheets”的研究论文(DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121330)。论文以铁酸铋（Bi₂Fe₄O₉）压电催化剂为例，阐明了压电电子能有效促进压电材料活性位点再生，进而强化过二硫酸盐（PDS）活化性能的机理。DFT计算和实验研究证实了铁酸铋纳米片中Fe²⁺作为活性位点为PDS活化生成SO•− 4贡献电子，同时压电电子可以加速Fe²⁺的再生，从而获得了优异的催化活性。这项工作在原子尺度上提供了压电催化PDS活化机理的认识，有望促进基于压电催化的高级氧化工艺（AOPs）的高效发展。