能源在社會(huì)發(fā)展中一直扮演著重要角色。高標(biāo)準(zhǔn)的生活條件、不斷增長(zhǎng)的人口數(shù)量迫使能源需求與日俱增。與此同時(shí)，石油等傳統(tǒng)能源日漸匱乏，污染環(huán)境致使全球范圍內(nèi)氣候變化。為避免能源危機(jī)，科學(xué)家致力于尋找新的解決方案，力求改善能源環(huán)節(jié)已經(jīng)存在的問(wèn)題。除了探究可再生新能源，人們亦將焦點(diǎn)放在研發(fā)先進(jìn)方法材料以提高新能源利用率，降低成本，改善可用性以及降低環(huán)境負(fù)面影響。
浙江大學(xué)先進(jìn)能源材料研究暑期學(xué)校（Webinar on the Frontiers of Advanced Energy Materials Research）于2020 年10 月17 日至18 日在浙江大學(xué)召開(kāi)。本次暑期學(xué)校由浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院主辦，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院青年教師發(fā)展促進(jìn)會(huì)承辦，邀請(qǐng)了材料學(xué)院和澳大利亞、新加坡高校三地的十位教授帶來(lái)精彩紛呈的課程，兩百余名材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的碩士、博士研究生參加。授課嘉賓分別來(lái)自南洋理工大學(xué)，新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)，澳大利亞臥龍崗大學(xué)，紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)以及浙江大學(xué)，課程主要圍繞著電池、熱電材料、電極材料、儲(chǔ)能材料、電催化材料等方面展開(kāi)。受限于 2020 年新冠疫情的影響，一些國(guó)外的專(zhuān)家學(xué)者并不能親臨現(xiàn)場(chǎng)。因此，本次暑期學(xué)校最終采取了線上線下相結(jié)合的形式。但是，這絲毫沒(méi)有阻擋學(xué)生們學(xué)習(xí)的熱情，各位專(zhuān)家學(xué)者也以嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度為我們講授了能源相關(guān)課程。
10月17 日上午，暑期學(xué)校在浙江大學(xué)玉泉校區(qū)正式拉開(kāi)帷幕，浙大材料學(xué)院副院長(zhǎng)朱鐵軍教授致開(kāi)幕詞，介紹了材料學(xué)院的發(fā)展歷史、主要研究領(lǐng)域以及浙江大學(xué)研究生暑期學(xué)校的舉辦歷史。結(jié)合本次暑期學(xué)校主題，他闡述了能源可持續(xù)發(fā)展這一經(jīng)久不衰的主題，并鼓勵(lì)研究生們積極參與交流。本次授課嘉賓涉及的研究領(lǐng)域較為廣泛，主要包括二次電池、熱電/鐵電、光/電催化材料等。本次暑期學(xué)校由姜銀珠教授、孫文平教授、吳浩斌教授共同主持。下面是暑期學(xué)校的具體情況：
澳大利亞臥龍崗大學(xué)Zaiping Guo教授的研究領(lǐng)域是各種多功能混合納米結(jié)構(gòu)材料，以提高下一代電池的能量和功率密度。她介紹了在合成不同類(lèi)型的雜化納米結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)金屬離子電池的電化學(xué)儲(chǔ)能性能方面的最新進(jìn)展。儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)的關(guān)鍵問(wèn)題，存在著許多挑戰(zhàn)。由于高能量存儲(chǔ)需求，金屬離子電池近來(lái)引起了極大的關(guān)注。對(duì)具有高容量和良好循環(huán)穩(wěn)定性的可行電極材料的需求促進(jìn)了各種金屬離子電極材料的探索。材料工程在電池研究領(lǐng)域起著關(guān)鍵作用，特別是納米級(jí)的工程材料獨(dú)特的性能可以制備高性能的電極用于各種能量存儲(chǔ)設(shè)備中。因此，近年來(lái)科學(xué)家投入了相當(dāng)大的努力來(lái)滿足電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的未來(lái)要求。
南洋理工大學(xué)Qingyu Yan教授介紹了一種由AlxMnO2陰極、鋅襯底支撐的鋅鋁合金陽(yáng)極和Al(OTF)3水電解質(zhì)組成的新的AAIB體系。由于鋁的安全性和高理論容量，鋁離子水電池（AAIB）引起了人們的極大興趣。鋁原料的高豐度和易獲取性進(jìn)一步使 AAIB 有望應(yīng)用于電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能。然而，鋁陽(yáng)極處的鈍化氧化物膜形成和氫副反應(yīng)以及陰極可用材料的有限性導(dǎo)致低的放電電壓和較差的循環(huán)穩(wěn)定性。Yan教授提出了一種新的 AAIB 系統(tǒng)，該系統(tǒng)由AlxMnO2陰極，鋅基負(fù)載的Zn-Al 合金陽(yáng)極和Al(OTF)3 水性電解質(zhì)組成，通過(guò)MnO 的原位電化學(xué)活化，合成了陰極以結(jié)合兩電子反應(yīng)，從而使其具有較高的理論容量。陽(yáng)極是通過(guò)簡(jiǎn)單的Al3 +在Zn 箔基板上的沉積工藝實(shí)現(xiàn)的。特有的合金界面層可有效減輕鈍化并抑制枝晶生長(zhǎng)，確保超長(zhǎng)期穩(wěn)定的鋁溶出/鍍覆。該架構(gòu)電池在超過(guò)80 個(gè)循環(huán)中可提供接近1.6 V 的創(chuàng)紀(jì)錄高放電電壓平穩(wěn)值和460 mAh g-1 的比容量。這項(xiàng)工作為開(kāi)發(fā)用于實(shí)際應(yīng)用的高性能和低成本AAIB 提供了新的機(jī)會(huì)。
澳大利亞臥龍崗大學(xué)Jun Chen教授的研究領(lǐng)域主要包括可持續(xù)能源器件/系統(tǒng)、電子/生物界面、納米/微材料、2D/3D打印、智能可穿戴電子器件的設(shè)計(jì)和添加劑制造。Chen教授向我們介紹了他們團(tuán)隊(duì)在先進(jìn)的電極材料方面的相關(guān)工作，開(kāi)發(fā)基于電極材料的三維結(jié)構(gòu)，在以下幾個(gè)方面為全球可持續(xù)能源供應(yīng)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)：可控制元素放置，構(gòu)建復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)；在3D微流控平臺(tái)上精細(xì)地操縱流體流動(dòng)；了解和控制有線/無(wú)線刺激下三維電極材料結(jié)構(gòu)中的電池行為。
澳大利亞臥龍崗大學(xué)Zhenxiang Cheng教授主要研究自旋度和極化度并存的多鐵材料在電催化方向的應(yīng)用。多鐵材料在能量轉(zhuǎn)換和催化方面的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其固有的鐵性和磁電耦合。其強(qiáng)退極化場(chǎng)的強(qiáng)電極化可以有效地加速電荷-空穴分離，從而改善催化性能。通過(guò)了解自旋在OER過(guò)程中的作用來(lái)調(diào)整多鐵材料中d電子的軌道度，可以顯著改善催化過(guò)程。Cheng教授向我們介紹了一些多鐵材料在能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用實(shí)例。
新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的Huiying Yang教授討論了低維納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如何與離子遷移效率，電化學(xué)反應(yīng)活性和基于化學(xué)轉(zhuǎn)化的能量存儲(chǔ)相關(guān)聯(lián)，其還研究了基于 2D 材料的設(shè)備的快速原型制作和可擴(kuò)展性的前景。在過(guò)去的十年中，先進(jìn)的二維（2D）材料因其非凡的物理和化學(xué)特性而引起了人們的極大興趣。了解和控制新型 2D 晶體材料的生長(zhǎng)對(duì)于從電子設(shè)備到能量存儲(chǔ)等各種應(yīng)用的性能至關(guān)重要。化學(xué)氣相沉積（CVD）方法是開(kāi)發(fā)卓越的納米材料并探索其在有效能量存儲(chǔ)以及可擴(kuò)展水凈化中的關(guān)鍵技術(shù)。在靈活或緊湊的設(shè)計(jì)中快速充電是限制電池技術(shù)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)之一。
浙大材料學(xué)院朱鐵軍教授向我們分享了他們團(tuán)隊(duì)近期在高溫?zé)犭姴牧螲alf-Heusler化合物方面的研究。這類(lèi)化合物是近年來(lái)備受關(guān)注的高溫?zé)犭姴牧希欢_(kāi)發(fā)低成本的高性能 p 型Half-Heusler 化合物是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。朱老師介紹了自己課題組研究的一種具有高帶簡(jiǎn)并度的新型p型HH固溶體，即摻雜FeV0.6Nb0.4Sb，可以獲得0.8的高zT，而進(jìn)一步研究表明了增加 Fe（V1-yNby）Sb 固溶體中Nb 的含量可以獲得較低的價(jià)帶有效質(zhì)量和更高的載流子遷移率。基于此，還進(jìn)一步研究了Hf 摻雜引起的性能優(yōu)化。而鑒于可得元素豐富，穩(wěn)定性好，zT 高，FeNb1 xTixSb 合金在高溫發(fā)電中的應(yīng)用前景十分廣闊。
新加坡南洋理工大學(xué)Zhichuan Xu教授向我們介紹了開(kāi)發(fā)燃料電池、金屬-空氣電池和水電解器等可再生能源技術(shù)中重要的ORR和OER高效和低成本的電催化劑。Xu教授向我們系統(tǒng)地介紹了過(guò)渡金屬尖晶石氧化物的氧電催化(ORR和OER)。從Mn-Co尖晶石的模型系統(tǒng)開(kāi)始，他詳細(xì)研究了這些氧化物的氧催化活性及其固有化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性。
浙大材料學(xué)院吳浩斌教授介紹了一類(lèi)新型納米結(jié)構(gòu)固體電解質(zhì)，通過(guò)在MOFs的孔隙通道中加入液體電解質(zhì)或離子，在開(kāi)放金屬位點(diǎn)的幫助下，MOF支架可以轉(zhuǎn)化為具有鋰離子電導(dǎo)率和低活化能的離子通道類(lèi)似物。適當(dāng)選擇MOFs可在室溫下獲得10-4-10-3 S/cm的高離子電導(dǎo)率。與液態(tài)電解質(zhì)相比，MOF基電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性得到了提高，可燃性得到了顯著抑制。
澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)Tianyi Ma教授在電子結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)、層次形態(tài)和電極界面等方面設(shè)計(jì)了一系列高效的電催化劑和光催化劑。已在ORR、OER、HER、NRR、CRR等領(lǐng)域得到應(yīng)用，并在金屬空氣電池、水分解裝置、燃料電池等領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)合實(shí)驗(yàn)證據(jù)和理論模擬，系統(tǒng)地研究了納米結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成之間的協(xié)同作用
浙大材料學(xué)院姜銀珠教授向我們介紹了在鈉離子電池中的一些先進(jìn)電極材料的研究進(jìn)展，探究了包括界面設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)構(gòu)建等電極材料的改性方法，系統(tǒng)的介紹了鈉離子電池電極材料的改進(jìn)策略以及其電化學(xué)性能之間的關(guān)系。
暑期學(xué)校尾聲，經(jīng)過(guò)老師們與線上線下同學(xué)們的打分和投票，頒發(fā)了參加“三分鐘學(xué)術(shù)演講視頻”比賽獲獎(jiǎng)獎(jiǎng)狀。至此，“先進(jìn)能源材料研究暑期學(xué)校”圓滿舉辦。
當(dāng)前，中國(guó)作為一個(gè)能源生產(chǎn)及消費(fèi)大國(guó)，面臨資源與環(huán)境雙重壓力，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展勢(shì)頭迅猛，尤其為應(yīng)對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)的飛速發(fā)展，高效儲(chǔ)能電池的應(yīng)用因其巨大潛力進(jìn)入科技工作者視野。研發(fā)高效儲(chǔ)能器件電極新材料并與產(chǎn)業(yè)相對(duì)接，是當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。通過(guò)聆聽(tīng)?zhēng)孜粚?zhuān)家學(xué)者的課程，拓寬了同學(xué)們的國(guó)際視野，提高了同學(xué)們對(duì)能源材料領(lǐng)域前沿研究的了解。同時(shí)本次暑期學(xué)校加深了浙大材料學(xué)院與澳大利亞和新加坡高校之前的學(xué)術(shù)交流，為今后進(jìn)一步開(kāi)展合作交流奠定了基礎(chǔ)。
