近日，材料科学与工程学院史志成教授课题组在高压脉冲储能电介质材料研究方面取得新进展，相关成果 Core-shell TiO2@Au Nanofibers Derived from a Unique Physical Coating Strategy for Excellent Capacitive Energy Storage Nanocomposites发表在国际顶尖材料期刊《Advanced Functional Materials》。材料科学与工程学院2022级硕士研究生任增亮为第一作者，史志成教授为通讯作者，材料科学与工程学院为第一通讯单位。
图1. TiO2@Au纳米复合纤维和TiO2@Au/PVDF复合薄膜的形貌组分表征图
聚合物电介质材料凭借其高电压、高功率、长寿命和自愈性等独特优势，成为高能电磁装备、智能电网和电力交通等高压脉冲能量储存/转换系统中的关键基础材料。但是，聚合物电介质材料的储能密度较低，极大地制约了其在集成电力电子系统中的应用。电介质材料的储能密度正比于其介电常数和击穿场强。因此，在聚合物电介质材料中添加具有高击穿场强或高介电常数的纳米填料，成为提高聚合物电介质储能密度的有效手段。然而，介电常数和击穿场强通常存在倒置耦合关系，导致两者难以同时提升。因此，如何解耦介电常数和击穿场强，成为突破聚合物电介质材料低储能密度瓶颈的关键。理论上，通过在陶瓷颗粒表面负载金属纳米颗粒，制备核壳结构纳米复合颗粒，利用金属和陶瓷之间的界面强极化提升介电常数，同时利用金属纳米颗粒的库伦阻塞效应提升击穿场强，可以实现介电和击穿性能的协同提升。然而，金属纳米颗粒通常需要化学合成法进行负载，颗粒的尺寸和空间分布均匀性难控制，且制备工艺重复性较差。
图2. TiO2@Au/PVDF复合薄膜的高压脉冲储能性能及击穿路径模拟图
针对上述难题，史志成教授等提出物理包覆法制备核壳纳米复合纤维的策略：利用静电纺丝结合物理溅射沉积技术，在TiO2纳米纤维表面均匀包覆金纳米颗粒，制备得到具有核壳结构的TiO2@Au纳米复合纤维。与传统化学包覆法相比，该策略有两个主要优势：（1）金纳米颗粒可以均匀地锚定在TiO2纳米纤维上，避免了金颗粒团聚导致的漏电流和损耗增加，并有利于充分发挥金属纳米颗粒的库伦阻塞效应；（2）通过控制溅射参数，可以实现金纳米颗粒尺寸和含量等的精准调控，便于性能优化设计。结果表明，该核壳纳米复合纤维展现出优异的高压脉冲储能提升效果：在聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜中，仅添加0.1 wt. %的纳米纤维，便使复合薄膜的击穿场强和介电常数分别提升52.8%和14.1%，进而在740 MV m-1高电场下产生了18.6 J cm-3的高放电能量密度（约为纯PVDF薄膜的250 %），其功率密度高达1.45 MW cm-3（约为商业BOPP薄膜电容的537 %)。进一步地，借助理论计算和相场模拟，揭示了TiO2@Au纳米复合纤维的微电容效应和库伦阻塞效应对介电常数和击穿场强的协同增强机制。除用于高压脉冲储能领域之外，该新型核壳纳米复合纤维在电磁波吸收/屏蔽、光催化、生物医疗等领域也具有巨大应用潜力。
该项工作由中国海洋大学和南方科技大学等单位合作完成。研究工作得到国家自然科学基金、山东省优秀青年基金、山东省泰山学者青年专家、中央高校基本科研业务费等项目资助。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401907
文/图：任增亮
