武汉理工张鹏超团队: PVDF 中同时实现纳米颗粒均匀分散+面内取向

学术   2025-01-10 10:31   中国香港  

研究背景

聚偏二氟乙烯 (PVDF) 基纳米复合材料是制造柔性介电电容器的关键材料,但是其实际应用一直受限于低的能量存储能力。目前,提高材料的击穿场强 (Eb) 和介电常数 (εr) 是解决上述问题的有效策略。将低介电常数二维纳米片以高度面内取向的方式复合到 PVDF 基体中是提高其击穿场强的有效策略。
然而,低介电常数二维纳米片的引入使 PVDF 基复合材料的介电常数明显降低,很大程度上限制了其介电储能密度的提升。在此基础上,通过适量填充 BaTiO₃ 等高介电常数陶瓷纳米填料可以进一步提高 PVDF 基复合材料的介电常数。
然而,在 PVDF 基体中同时实现低介电常数纳米片的面内取向以及高介电常数陶瓷纳米填料的均匀分散状态仍然是一个重大挑战。

研究内容

近日,武汉理工大学张鹏超研究员带领研究团队采用液滴超铺展层状组装技术,在聚合物溶液超铺展剪切力的作用下,在 PVDF 基体中同时实现了 BaTiO₃@PEG 纳米颗粒的均匀分散以及 BNNS 的面内取向分布状态,同时提高了 PVDF 基复合材料的击穿强度和介电常数,并揭示了由 BNNS 引起的电荷屏蔽效应和 BaTiO₃@PEG 的颗粒内极化行为产生的协同效应是其主要原因。

在 3.6 wt% 的 BNNS 和 1.72 vol% 的 BaTiO₃@PEG 共填充条件下,PVDF/BNNS/BaTiO₃@PEG 复合材料的击穿场强和介电常数分别提高了 52% 和 64%,获得了高达 20.12 J/cm³ 的放电能量密度,优于同类型研究结果。

  • Figure 1. PVDF nanocomposites with aligned boron nitride nanosheets and dispersed BaTiO₃@PEG nanoparticles by superspreading strategy towards high energy density

本工作为解决 PVDF 纳米复合材料在能量存储方面的挑战提供了新的解决方案,将促进其在高性能介电电容器中的实际应用。该成果以 “PVDF nanocomposites with aligned boron nitride nanosheets and dispersed BaTiO₃@PEG nanoparticles by a superspreading strategy towards high energy density”(《基于液滴超铺展的高能量密度 PVDF 基纳米复合材料:高取向 BNNS 与高分散 BaTiO₃@PEG 纳米颗粒的协同效应》) 为题,发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Communications 上。

论文信息

  • PVDF nanocomposites with aligned boron nitride nanosheets and dispersed BaTiO3@PEG nanoparticles by a superspreading strategy towards high energy density

    Dajun Hou, Jingjing Zhou, Wen Chen, Jing Zhou* and Pengchao Zhang* 张鹏超,武汉理工大学)

    Chem. Commun., 2024, 60, 13344-13347
    https://doi.org/10.1039/D4CC04430D

作者简介

侯大军 硕士研究生
武汉理工大学

本文第一作者,武汉理工大学硕士研究生,主要研究方向是介电复合薄膜的可控制备与性能调控。







张鹏超 研究员
武汉理工大学

本文通讯作者,武汉理工大学研究员,博士生导师,国家级高层次青年人才。主要从事高端膜材料的规模化制备新技术开发、结构与性能调控、及其在高安全长寿命锂/钠电池隔膜、海水淡化等方面的应用研究。主持国家自然科学基金项目等多项国家/省部级科研项目,至今已在 Nature 等国际著名学术刊物上发表论文 80 余篇,申请/授权‬发明专利十余件。任中国化学会青年化学工作者委员会委员、中国海洋学会海水淡化与水再利用分会第三届青年委员会委员、Interdisciplinary Materials 学术编辑等。







周静 教授
武汉理工大学
本文共同通讯作者,武汉理工大学二级教授,博士生导师,享受国务院政府特殊津贴。主要从事介电、压电及铁电材料物理效应与应用研究。主持国家自然科学基金项目等多项国家/省部级科研项目,项目金额逾五千万,曾获得包括中国发明协会发明创业成果奖一等奖、国家级教学成果奖二等奖在内的多项荣誉,出版专著三部(近 200 万字),在 Science China Materials 等国际知名期刊上发表了大量论文,并申请/授权了几十项发明专利,其中大部分完成了成果转化。

相关期刊

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