气凝胶薄膜能源材料的研究进展

气凝胶薄膜能源材料的研究进展

吴广明

(同济大学波耳固体物理研究所上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室先进土木工程材料教育部重点实验室 上海 200092)

　　摘要：随着资源短缺和环境污染的日益严重，节能与可再生能源的使用已迫在眉睫，必须研制出新材料以适应这种发展需求。气凝胶是一种新型纳米多孔材料，具有孔洞率高、比表面积大、热导率低、折射率小且可调范围大等特点，被美国第250 期《科学》杂志列为世界十大热门科技之一，在建筑节能、锂离子电池、太阳能电池等方面具有广阔应用前景。

　　本课题组采用溶胶-凝胶技术，以TEOS、W 粉末、V2O5 粉末等为原材料，通过溶剂替换、紫外光辐照、混合气氛处理等技术以及提拉镀膜方法在常压下制备出了面积达1.2×0.8 m2、致/褪色态透射率差大于50%、光学均匀性超过95%、响应时间小于5 s 的WO3 基气致变色建筑节能气凝胶薄膜涂层(见图1);获得了密度仅为26mg/cm3、孔隙率达99.2%、比表面积为188.76 m2/g、比容量达541.9 mAh/g 的纳米复合V2O5 气凝胶锂离子阴极薄膜材料;形成了面积为110×80 cm2、纳米结构人为可控、激光损伤阈值达45.9 J/cm2、折射率在1.18～2.20间可调、可见光区平均反射率低于0.84%、太阳能光区平均反射率低于1.5%的宽带减反射气凝胶薄膜(见图2)。

　　系统研究了WO3 气凝胶薄膜纳米多孔结构的可控生长与稳定机制、变色/退色过程中氢氧原子与WO3 结构的相互作用、WO3 薄膜形貌与结构的演变、致/退色循环耐用性能衰减机制与抑制机理、纳米掺杂复合的协同作用和紫外光与气体混合后处理机制，以及V2O5 气凝胶薄膜电极的电化学行为、锂离子和电子的输运特性以及同纳米多孔结构的相互作用、比容量影响因素、V2O5 气凝胶薄膜阴极性能降级机制;发现了WO3 气凝胶薄膜的变色循环稳定性主要受控于其共角结构，SiO2 纳米复合显著抑制了其共角结构在致/退色过程中的演变;建立了气凝胶薄膜多孔结构中粒子的输运模型，极大地丰富纳米多孔结构的表面与界面作用理论，为气凝胶薄膜新材料在建筑高效节能、锂离子电池阴极材料、太阳能电池表面减反膜等方面的低成本工业化应用开辟了一条崭新的技术路径。