光电学者研究新型制冷和储能材料引国际关注

在光电信息学院的大力推动下，该院姜胜林教授及其团队的年轻教师张光祖博士与宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的Qing Wang教授课题组深入合作，成功设计、开发了高性能铁电纳米陶瓷/三元共聚物复合材料，并将最新的研究成果应用于下一代固态制冷技术和储能技术领域。

今年1月7日，相关研究成果《铁电聚合物复合材料在制冷器中的应用》（Ferroelectric Polymer Nanocomposites for Room-Temperature Electrocaloric Refrigeration，张光祖为论文第一作者）在线发表在材料类知名杂志《先进材料》（Advanced Materials，影响因子15.4）上，并获审稿人高度评价，称该成果应作为VIP级论文发表。

铁电材料被广泛应用于压电传感器与换能器、非制冷热释电红外探测设备和铁电存储器中，相关研究备受关注。铁电复合材料因兼具铁电陶瓷优异的铁电性和铁电聚合物良好的柔韧性，在近年来成为研究的热点。利用铁电体的电卡效应可实现热量的搬运，这为现代制冷技术提供新的解决方案。采用电卡材料制备的制冷器具有体积小、重量轻和能耗低的特点。更重要的是，该类制冷设备不含对环境有严重危害的制冷剂（如含氟制冷剂等）。

为开发高性能电卡材料，剑桥大学和宾夕法尼亚州立大学分别对锆钛酸铅铁电陶瓷和PVDF基铁电聚合物的电卡效应展开了研究，使这两种材料均实现了12℃的降温效果。相关成果分别发表在2006年和2008年的《科学》杂志上。然而上述两种材料均有其各自的缺点：陶瓷铁电体的抗电场击穿能力较差，而铁电聚合物需要极高的电场来驱动其电卡效应，这都不利于电卡效应的实用化。另外，12℃的降温效果尚不能满足实用要求。

针对上述有关问题，姜胜林团队与宾夕法尼亚州立大学密切合作，创新性地提出利用铁电陶瓷和聚合物的纳米界面耦合效应，制备了铁电陶瓷/铁电聚合物纳米复合电卡材料。该复合材料无论在低电场还是高电场激发状态下，均体现出理想了的电卡效应。材料最终实现了温降50℃的制冷效果。相关成果最终被《先进材料》刊发。

在上述工作基础上，姜胜林与Qing Wang教授联合课题组进一步合作开发了高性能纳米复合储能材料。该类储能材料作为储能设备的核心，被广泛应用于粒子加速器、高能微波源、电动汽车供电系统等领域，其性能的提高关系到国民经济和能源事业的发展。在研究中，联合课题组创新性地提出利用氮化硼纳米片的高抗压能力，并结合纳米片与共聚物的纳米界面耦合效应，制备了氮化硼纳米片/PVDF基共聚物纳米复合储能材料。适量氮化硼纳米片的引入使PVDF基共聚物的抗击穿场强得到了显著提高，并且在高电场的激励作用下，材料的极化率也得到了明显优化。该纳米复合材料的储能密度达到20 J cm-3，是现有储能材料的2-5倍。

2014年12月2日，相关论文《溶液法制备高击穿场强、高储能密度氮化硼/三元共聚物纳米复合材料》（Solution-processed ferroelectric terpolymer nanocomposites with high breakdown strength and energy density utilizing boron nitride nanosheets，张光祖为共同第一作者）在线发表于英国皇家化学协会旗下知名杂志《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science，影响因子15.49）上。该研究成果将有力推动高储能密度电容器在现代储能电子设备中的应用。