氣凝膠薄膜能源材料的研究進展

吳廣明

(同濟大學波耳固體物理研究所上海市特殊人工微結構材料與技術重點實驗室先進土木工程材料教育部重點實驗室 上海 200092)

　　摘要：隨著資源短缺和環(huán)境污染的日益嚴重，節(jié)能與可再生能源的使用已迫在眉睫，必須研制出新材料以適應這種發(fā)展需求。氣凝膠是一種新型納米多孔材料，具有孔洞率高、比表面積大、熱導率低、折射率小且可調(diào)范圍大等特點，被美國第250 期《科學》雜志列為世界十大熱門科技之一，在建筑節(jié)能、鋰離子電池、太陽能電池等方面具有廣闊應用前景。

　　本課題組采用溶膠-凝膠技術，以TEOS、W 粉末、V2O5 粉末等為原材料，通過溶劑替換、紫外光輻照、混合氣氛處理等技術以及提拉鍍膜方法在常壓下制備出了面積達1.2×0.8 m2、致/褪色態(tài)透射率差大于50%、光學均勻性超過95%、響應時間小于5 s 的WO3 基氣致變色建筑節(jié)能氣凝膠薄膜涂層(見圖1);獲得了密度僅為26mg/cm3、孔隙率達99.2%、比表面積為188.76 m2/g、比容量達541.9 mAh/g 的納米復合V2O5 氣凝膠鋰離子陰極薄膜材料;形成了面積為110×80 cm2、納米結構人為可控、激光損傷閾值達45.9 J/cm2、折射率在1.18～2.20間可調(diào)、可見光區(qū)平均反射率低于0.84%、太陽能光區(qū)平均反射率低于1.5%的寬帶減反射氣凝膠薄膜(見圖2)。

　　系統(tǒng)研究了WO3 氣凝膠薄膜納米多孔結構的可控生長與穩(wěn)定機制、變色/退色過程中氫氧原子與WO3 結構的相互作用、WO3 薄膜形貌與結構的演變、致/退色循環(huán)耐用性能衰減機制與抑制機理、納米摻雜復合的協(xié)同作用和紫外光與氣體混合后處理機制，以及V2O5 氣凝膠薄膜電極的電化學行為、鋰離子和電子的輸運特性以及同納米多孔結構的相互作用、比容量影響因素、V2O5 氣凝膠薄膜陰極性能降級機制;發(fā)現(xiàn)了WO3 氣凝膠薄膜的變色循環(huán)穩(wěn)定性主要受控于其共角結構，SiO2 納米復合顯著抑制了其共角結構在致/退色過程中的演變;建立了氣凝膠薄膜多孔結構中粒子的輸運模型，極大地豐富納米多孔結構的表面與界面作用理論，為氣凝膠薄膜新材料在建筑高效節(jié)能、鋰離子電池陰極材料、太陽能電池表面減反膜等方面的低成本工業(yè)化應用開辟了一條嶄新的技術路徑。