近日，材料科學與工程學院楊海波教授團隊，在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》（IF：18.5）上發表了題為“Ultrahigh Dielectric Energy Density and Efficiency in PEI-based Gradient Layered Polymer Nanocomposite”的研究論文。我校楊海波教授、林營教授、袁啟斌副教授和西安交通大學王軼飛副教授為文章共同通訊作者，材料學院博士生黨禎兒為文章第一作者，陜西科技大學為第一通訊單位。
五層梯度結構PEI基納米復合材料的設計、物相形貌表征、電樹擊穿模擬和介電儲能性能
隨著世界人口和能源消耗的不斷增加，人類社會的可持續發展正面臨著全球變暖、環境污染、化石燃料資源枯竭等諸多問題的嚴重威脅。因此，開發環境友好的新能源和先進的能源轉化與儲存技術已成為全球能源革命的主導方向和一致行動。聚合物基儲能復合材料具有柔韌性好、擊穿場強高、體積小、重量輕、成本低、制備工藝簡單等優點，在電力系統和電子工業中引起了廣泛的關注。但耐高溫性能較差，不能滿足航空航天、新能源電動汽車等特殊領域的應用需求。隨著電力電子設備的小型化和集成化，其產生的熱量呈指數級增長，柔性電子設備的快速發展也對高溫聚合物基儲能復合材料產生了巨大的需求。
鑒于此，陜西科技大學楊海波教授團隊設計制備了一種五層梯度結構聚合物基納米復合材料，兩外層為氮化硼納米片（BNNSs）/聚醚酰亞胺（PEI）復合層，中間三層為鈦酸鋇納米顆粒（BaTiO3 NPs）/PEI復合層，BaTiO3 NPs的粒徑從上到下分別為500 nm、200 nm和100 nm，實現了室溫及高溫下儲能密度和儲能效率的協同提升。
研究團隊選擇具有高擊穿場強、優異耐高溫性能的PEI作為聚合物基體。BNNSs/PEI復合層作絕緣外層，能夠有效降低漏電流，提高散熱能力，從而提高擊穿場強和儲能效率。BaTiO3 NPs/PEI復合層作三個極化中間層能夠提高介電常數和儲能密度。與調控填料體積分數不同，通過從上到下減小粒徑設計多級梯度結構可賦予較高的界面極化，促進電場均勻分布并形成界面阻擋效應，同時還可以避免填料團聚并降低損耗。梯度結構形成的連續梯度電場分布可以明顯抑制電樹生長并提高擊穿場強，使納米復合材料在高儲能效率下保持高儲能密度。梯度電場的構建并不需要復雜的手段，只需要調控極化層中BaTiO3 NPs的粒徑。五層梯度結構PEI基納米復合材料具有16.38 J·cm-3的高儲能密度和97.79%的高儲能效率，遠遠超過以前報道的聚合物基納米復合材料。此外，該納米復合材料還表現出良好的高溫儲能性能，在150 ℃下實現7.36 J·cm-3的儲能密度和83.12%的儲能效率。
五層梯度結構PEI基納米復合材料的設計、物相形貌表征、電樹擊穿模擬和介電儲能性能
這種梯度層狀結構設計為開發具有優異儲能性能的聚合物基高溫介電材料提供了一種有效策略，也可以擴展到其他功能復合材料中。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202406148
新聞小貼士：
楊海波，二級教授，博士生導師，新加坡國立大學博士后，中國高等教育學會教學研究分會理事，教育部本科教育教學審核評估專家，陜西省工科類學科評議組成員，陜西省高等學校教學指導委員會委員，陜西省特支計劃教學領軍人才，陜西省教學名師，陜西省中青年科技創新領軍人才，首屆陜西省杰青，校友會2023年中國高貢獻學者，英國皇家化學學會2021 Top 1%高被引中國作者。以第一作者或通訊作者在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等國內外學術期刊上發表論文100余篇，其中ESI熱點論文5篇、ESI高被引論文17篇。先后主持國家自然科學基金青年基金、國家自然科學基金面上項目（3項）、陜西省杰出青年科學基金、教育部留學歸國人員科研啟動基金等科研項目20余項。以第一完成人榮獲國家級教學成果二等獎、陜西省教學成果一等獎、陜西省自然科學二等獎。
（核稿：王卓 編輯：劉倩）
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