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一周前沿科技盘点③|全固态锂电池、氢燃料电池研发同步取得重大进展

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zxw88 发表于 2022-7-26 15:49:43 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
编者按:
汇聚中科院、工程院、医科院、农科院、985高校及新型研发机构等近200家科研院所、单位发布的研究成果,通过多源动态提取信息因子,按领域维度、期刊级别、创新载体、学者信息、时间梯度等多维度权重,经人工智能计算分析,国际科技创新中心网络服务平台开发了“科创热榜”的推荐榜单。
基于国际科技创新中心网络服务平台(www.ncsti.gov.cn)科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆,我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天,我们为大家带来第三期。
这一周:新能源电池研发频传捷报,我们向着“碳达峰、碳中和”目标又迈进了一小步;受益于观测手段的进步,天文学家和材料学家分别在宏观和微观尺度上增进了对世界运行规律的认知;几个厚积薄发的院士团队在大气物理研究、激光雷达研制等领域带来了最新成果……
1、《Science》|利用亚纳米线基有机凝胶锁着易挥发有机分子
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亚纳米线有机凝胶的照片、结构及应用


水凝胶已经不新鲜,见过Q弹的汽油凝胶吗?
什么作用力可以让易挥发的汽油形成自支撑的弹性凝胶?
清华大学化学系王训团队,在室温条件下制备出由磷钨酸阴离子纳米团簇、碱土金属离子为无机骨架的亚纳米线,通过简单分散和静置后,质量百分比低至0.5%左右的亚纳米线网络,可以有效捕获包含汽油、正辛烷、环己烷在内的10多种挥发性有机液体,形成弹性凝胶。
区别于水凝胶的氢键网络,这种凝胶良好的机械性能来源于静电力和范德华力导致的纳米线缠结和亚纳米线中的碱金属离子、多酸团簇及表面配体之间的多级相互作用,也来源于纳米线和有机液体之间的强相互作用。
凝胶中的亚纳米线可以多次回收利用,摊薄了成本,为这一技术的商业化落地提供了更大的可能性。
2、《自然-材料》|科学家首次揭示原子尺度下气固液三相反应路径
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液体池内建立的固-液-气反应示意图


要想在纳米尺度追踪单个颗粒及三相界面的演变,有两个首要问题需要解决:一是观测工具,二是建立合适的固-液-气反应模型。尤其前者,对技术条件的要求非常“硬核”。
一项原位液相透射电子显微镜最新技术,可以通过液体的辐射分解产生纳米气泡,并允许对液体中的动态反应进行直接成像,为纳米尺度的三相反应观测扫清了技术障碍。
近期,一个包含中科大、东南大学在内的研究团队以溴化氢水溶液中氧气气泡刻蚀金纳米棒作为反应模型,经过大量实验发现,仅当纳米气泡与固体之间的距离小于临界尺寸(~1 nm)时,刻蚀速率才显著提升(一个量级以上);否则,刻蚀速率几乎不变。
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存在氧气纳米气泡时金纳米棒的刻蚀过程


团队利用分子动力学首次在原子尺度揭示了完整的固-液-气反应路径,该成果使湿法刻蚀技术在刻蚀方向、尺寸的可控性大幅提升成为可能,并可发展为未来微纳加工领域的新技术。
3、《先进能源材料》|清华大学取得全固态锂电池新进展
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研究成果作为《先进能源材料》封面文章发表


安全问题,是悬在锂电池头上的达摩克利斯之剑。
全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,有望从根本上解决电池的安全性,提升锂电池循环寿命。然而,电解质材料一直是制约其商业化落地的的重要因素。
清华大学南策文院士团队报道了一种可弯曲的、具备高锂离子电导率的超薄复合固体电解质膜,该薄型复合电解质膜组装的全固态电池在室温下1.0 mA cm-2的电流密度下,1000次循环后的容量保持率为92%,即使在20000次循环后也有71%。
这是迄今为止报道中室温下循环寿命最长的全固态电池。此外,具有高承载量的软包全固态电池的成功制备也证明了其在未来商业应用中的潜力和可行性。
4、《自然-催化》|港科大研发全球最耐久的氢燃料电池
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氢燃料电池是解决交通领域碳排放的一种可行方案,但是由于其催化剂常用材料——铂,价高而且稀有,影响了氢燃料电池的商业化落地。
港科大邵敏华团队近日研发出一种降低铂含量达八成的催化剂新配方。配方由原子分散的铂、单原子铁,以及铂铁合金纳米粒子所组成,共有三个不同类型的活性中心参与催化作用,催化效果较铂催化剂高出3.7倍。
团队的另一项测试亦显示,氢燃料电池使用了新型混合催化剂后,即使持续运作超过200小时,催化效果并没有下降。团队将继续优化该催化剂,以期早日应用于氢燃料电池车及其他电化学能源产品。
5、《自然-天文学》|科学家发现周期性吸积盘不稳定性的证据
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M87星系黑洞照片,让“事件视界望远镜”一战成名,其分辨率已近乎地面VLBI阵列的极限,要想获得更高分辨率,需要借助空间VLBI阵列。
一个上海天文台参与的国际联合团队利用空间VLBI,对 NGC4258星系吸积盘脉泽进行长期观测。NGC4258星系中央黑洞规模是银河系中央黑洞的10倍,虽然不及M87星系黑洞,但胜在距离近。
观测发现,有脉泽辐射的云团分布在一个半径约为0.38光年的薄气体盘构成的吸积盘内,随气体盘的旋转而运动,当含有水分子的气团漂移到射电喷流前面时,喷流提供了背景输入光子,使得水分子受激放大而产生强大的水脉泽辐射。有意思的是,几个脉泽气体团块的速度呈现出有规律的差异,而且它们的速度和强度随时间而变化。
团队研究认为磁旋转不稳定性是产生这些高密度区域的机制。MRI过程与造成径向动量转移的粘滞和湍流相联系,未来的研究将探索这种剪切不稳定性如何促进或驱动黑洞吸积。
6、《气候动力学》|中亚春季土壤温度影响东亚夏季气候
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中亚春季土壤温度正异常影响中国东北地区夏季高温的物理过程


大气运动既存在蝴蝶效应,也存在有迹可循的规律。大气物理学家就像侦探一样,从凌乱的现场痕迹中辨别草蛇灰线,锁定气候变化的先兆因子和内在规律。
中科院大气物理研究所张井勇团队在东亚尤其是东北地区夏季气候异常中,发现了一条重要线索——罗斯贝波扰动。这是一种由于地球的转动和地球曲率导致的一种长波扰动,波长可以达到几百千米。缓慢蜿蜒的罗斯贝波控制着地面高低压的移动,带来极端天气的持续延长。
循着罗斯贝波的激发方向,团队发现中亚春季土壤温度异常在东亚夏季后期异常中扮演重要角色,是东亚夏季气候预测的一个关键先兆因素。团队对近40年中亚土壤温度数据进行分析,并找出了其中的关键区位置所在。
7《光学快报》|激光雷达系统研制取得重大突破
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米级分辨率的大气风场探测在航空航天安全、高价值目标保障、数值天气预报等方面具有重大意义。实现“看得远、看得细,测得快、测得准”的风场观测是对测风激光雷达的重要挑战。
为了获取3米和0.1秒时空分辨率的风场,需再提高现有激光雷达信号检测灵敏度2个数量级以上。窦贤康院士团队通过在激光光源、光学收发系统、高速数据采集电路和数据处理算法上对激光雷达进行全面优化,并在时频分析、脉冲编码基础上提出一种新的反演算法,大大提高了风场反演精度和稳健性,最终实现了一套全国产化的“产品级”测试样机。
这款样机的工作波长为1550.1纳米,具有人眼安全、设备轻便、工作稳定、环境适应性强等特点。
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补充阅读:
关于“科创热榜-前沿科技”
国际科技创新中心网络服务平台(www.ncsti.gov.cn),基于中科院、工程院、医科院、农科院、985高校及新型研发机构等近200家科研院所、单位发布的研究成果,多源动态提取并按领域维度、期刊级别、创新载体、学者信息、时间梯度等多维度权重,经人工智能计算分析,形成推荐榜单,每日更新。

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