研究方向
 
研究方向
发布时间:2014-01-10    栏目类别:研究方向

我组以自己发展的创新理论方法为技术核心,通过计算机模拟来设计所需性能的材料,并合成所设计的材料。主要研究方向包括:

1、气体捕获微孔材料

发展精确的范德华力场,来描述气体分子之间、气体分子与微孔之间的范德华作用力。基于此力场,模拟微孔高分子材料,分子筛,金属有机框架化合物等对氢气、甲烷、CO2、N2、O2、烯烃的吸附,根据模拟结果筛选所需性能的微孔材料。发展出来的新型材料有锂掺杂共轭微孔高分子材料用于储氢,钴络合共轭微孔高分子材料用于常温常压下CO2的捕获与转化,金属富集共轭微孔高分子材料用于温和分子氧氧化反应,硅基微孔高分子材料用于甲烷储存等。

1.1 微孔高分子储氢材料

氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,是人类的战略能源发展方向。储氢问题是能够将氢能应用于运输行业的最主要的急需解决的关键问题,它代表着材料界最主要的挑战性问题之一。现有的储氢方法包括高压气体,液氢,复合氢化物,金属氢化物,多孔材料。但是没有一种方法能够满足美国能源部对于储氢材料所需要达到的要求。美国能源部的2015年目标为系统能够储存 5.5wt%氢气,储存密度为40g/L。而储氢材料的储氢量必须超过这一系统目标。我组利用理论模拟设计并合成出一系列的锂掺杂共轭微孔高分子材料,这种材料可以在77K和1bar条件下,可逆地储存大量的氢气,远高于碳纳米材料与金属框架化合物材料。

1.2 微孔高分子CO2捕获与转化材料

CO2减排问题是当今人类社会有待解决的问题和当前科学研究的热点之一。对于CO2减排,目前工业界有两种手段,捕获或者转化。然而这两种方案均投资昂贵,且消耗大量能源。我组利用理论模拟设计并合成出一系列的金属络合共轭微孔高分子材料,这种材料可以在常温常压下,既能捕获CO2,又能将CO2转化为有价值化学品。由于是常温常压条件,设备便宜且不需要额外能量,为CO2减排问题的解决带来曙光。

1.3 微孔高分子甲烷储存材料

天然气汽车可大幅度降低一氧化碳,二氧化硫,二氧化碳等的排放,并且没有苯,铅等致癌和危害物,是消除雾霾的重要发展方向之一。然而目前天然气的储存是天然气汽车大规模推广的瓶颈之一,因为储存密度小从而使得天然气汽车的续航能力不足。我组利用理论模拟设计并合成出一系列的硅基微孔高分子材料,能大幅度提升天然气储存的密度,有望解决天然气汽车大规模推广的瓶颈问题。

2、太阳能电池材料

发展精确描述太阳能电池中基本过程动力学过程的理论方法,集成这些多尺度的理论方法,做到仅根据材料结构就能预测太阳能电池的光电性能。基于此方法,模拟染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池中光电材料的性能,根据模拟结果筛选所需性能的光电材料。发展出来的新型材料有卟啉衍生物用于染料敏化太阳能电池,钙钛矿材料用于钙钛矿太阳能电池。

2.1 染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池主要是模仿光合作用原理,研制出来的一种新型太阳能电池。其主要优势是:原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单,同时所有原材料和工艺都是无毒、无污染。因此受到各国重视。我组发展了一套理论方法,可以仅根据染料分子结构就能预测其敏化TiO2纳米晶的电池效率。根据此方法,对大量染料进行了筛选,得到了一系列的新型染料分子,获得了较高的电池效率。目前组内制备的电池最高效率能达到10.6%。

2.2 钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池是最新型太阳能电池,其一经发现即得到各国科学家的重视,目前已制备出20%效率的钙钛矿电池。然而其主要材料含铅,故而开发出无铅钙钛矿光电材料是未来研究重点。我组发展了一套理论方法,能较准确和快速得到设计材料的半导体性能。根据此方法,设计并合成了一系列无铅的钙钛矿光电材料。

 

 
 

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