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          新聞快訊
          2021-10-09 09:37:42單晶N摻雜4H-SiC納米線陣列基壓電納米發電機的制備及其在高溫、酸堿環境中的應用

          單晶N摻雜4H-SiC納米線陣列基壓電納米發電機的制備及其在高溫、酸堿環境中的應用

           

          Linlin Zhou, Tao Yang, Laipan Zhu, Weijun Li, Shuize Wang, Xinmei Hou, Xinping Mao, Zhong Lin Wang, Piezoelectric nanogenerators with high performance against harsh conditions based on tunable N doped 4H-SiC nanowire arrays, Nano Energy, 83, (2021), https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105826

           

           

          在全球變暖的背景下,尋找新型可再生的清潔能源已成為人類社會發展中亟需克服的難題。自然環境中分布著大量無序的機械能,如微風、振動等。壓電納米發電機能夠有效實現這些機械能向電能的轉化,因此受到了廣泛關注。各種壓電系數大、能量轉換效率高的壓電材料已經被用于組裝壓電納米發電機,但大多數壓電納米發電機仍然局限于在室溫和中性環境下工作。隨著社會的進步,發展能夠在高溫和酸堿腐蝕等極端惡劣條件下安全、穩定工作的壓電納米發電機成為迫切的需要。

          近日,北京科技大學侯新梅教授領導的綠色冶金研究團隊發表了題為“Piezoelectric nanogenerators with high performance against harsh conditions based on tunable N doped 4H-SiC nanowire arrays”的研究論文,提出了單晶N摻雜的4H-SiC納米線陣列壓電納米發電機并將其應用于高溫、酸堿等工作環境中以研究其穩定性,該成果發表在國際能源頂級期刊《Nano Energy》。

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          1 N摻雜4H-SiC基壓電納米發電機的服役環境示意圖

          該文章利用陽極氧化的方法,通過控制氧化時間,調控了單晶N摻雜4H-SiC納米陣列的形貌,如圖2所示。研究結果顯示當陽極氧化時間為15 min時,可得到高度定向的納米線陣列,通過X射線衍射和透射電子顯微鏡的表征和分析,確定了產物為具有高結晶度的單晶4H-SiC。利用自支撐的單晶N摻雜4H-SiC納米線陣列薄膜組裝壓電納米發電機,測得室溫下的輸出電流和電壓分別為200 nA cm-23.0 V。壓電納米發電機在100 ℃200 ℃下瞬時加熱的電流密度分別為188 nA cm-2172 nA cm-2,是室溫下電流密度的94%86%。在200 ℃環境中加熱1 h后,壓電納米發電機的輸出保持在原始輸出的75%150 nA cm-2)。此外,單晶N摻雜4H-SiC納米線陣列98% H2SO440% NaOH溶液中浸泡12h后組裝的壓電納米發電機的輸出分別達到原始輸出的82%164 nA cm-2)和77.5%155 nA cm-2)。

          最后,該文章探討了單晶N摻雜4H-SiC納米線陣列基壓電納米發電機具有優異的耐高溫和耐酸堿穩定性的原因。首先,4H-SiC的寬帶隙可以容納更多的熱激發電子,使其能夠在高溫環境下正常工作,同時它還具有良好的物理和化學惰性,使其展現出良好的循環使用穩定性和良好的耐酸堿性。其次,納米線陣列可以產生更大程度的變形,其單晶特性使其變形產生的偶極子具有相同的方向,產生宏觀壓電場。再次,納米線陣列之間的空隙為4H-SiC納米線在高溫環境中的體積膨脹提供了空間,保證了NWAs在高溫環境下的結構穩定性。最后,N離子的引入形成的偶極子在力場作用下呈現定向極化,顯著增強了4H-SiC的壓電效應。

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          2 不同氧化時間得到的N摻雜4H-SiC陣列的形貌:(a1)(b1) 11 min,(a2)(b2) 15 min,(a3)(b3) 18 min,(a4)(b4) 21 min。

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          3 單晶N摻雜4H-SiC納米線陣列基壓電納米發電機在普通和極端環境中的性能測試:(a) 電流,(b) 電壓,(c) 瞬時高溫條件,(d) 長時間高溫條件,(e) H2SO4溶液,(f) NaOH溶液。

           

          北京科技大學鋼鐵共性技術協同創新中心“綠色冶金”團隊基于冶金物理化學理論基礎,突破傳統冶金、化工、能源、環境和材料等各學科割裂的局限,探究新型材料對鋼鐵、能源和環境領域的促進作用。梯隊的主要研究方向包括:(1)界面反應動力學;(2)高溫溶體界潤特性研究;(3)新型高溫陶瓷材料的開發;(4)冶金過程廢水、廢液、煙氣和固廢治理和綜合利用;(5)新型光電、力電功能材料的開發與器件構筑等;(6)基于電化學冶金的功能材料多結構調控。目前有教授3(含國家杰青1),副研究員1人,助理研究員1人。團隊承擔國家及省部級項目20余項,發表SCI論文200余篇,申請專利30余項,獲得包括省部級獎項10余項。

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          侯新梅教授課題組

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          袁章福教授課題組


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