中国科学院长春应用化学研究所 
 
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研究方向
2012/03/31 | 【 【打印】【关闭】

1. 在燃料电池方面

中国科学院长春应用化学研究所电化学研究室在20世纪90年代初在国内最早开展直接醇类燃料电池(DAFC)的研究,在直接醇类燃料电池电催化氧化的催化剂、催化电极、催化电极/质子交换膜复合体、直接醇类燃料电池发电机整体系统方面进行了较系统的探索。在“九五”期间,就获得中国科学院“九五”重大科技发展规划关于DMFC项目的资助,并在“十五”期间先后承担了与DMFC相关的国家“973”计划、“863”计划、国家自然科学重点和面上基金等多个项目,并取得了良好的进展。在阳极催化剂、阴极催化剂、质子交换膜、电池组的设计和组装等方面取得了较大进展,积累了较丰富的经验。在直接醇类燃料电池电催化氧化的催化剂、催化电极和催化电极/质子交换膜复合体方面进行了较系统的研究,拓展了多步骤多电子过程的脉冲法的理论,应用于甲醇在多晶铂电极上的动力学研究,首次成功地得到了相关的动力学参数,实验结果与理论数据相符合,验证了该拓展理论的可靠性,获得国际同行的肯定。提出了一些新的催化剂制备方法,发明多种制备高活性电池电催化剂的方法,确定了纳米级催化剂的有效化学成份及其计量,发明可控催化剂粒径、晶形的有效方法;形成了多项催化剂的制备技术,其中预沉积法、喷雾热解法和微乳液法可制备粒径分布更均匀、对甲醇电催化性能也更高的催化剂,多种阳极、阴极催化剂性能已经超过国际商品催化剂的性能,研制了多种新的Pt基复合催化剂;首次发现对甲醇电氧化具有促进作用的物质,形成甲醇电氧化促进剂的新研究方向;研究了碳载体对催化剂性能影响的主要因素,如分散性、稳定性和协同性等;研制了低甲醇透过率、高质子电导率和高热稳定性的Nafion/silica/磷钨酸复合膜,并发展了高分子复合膜技术,提出多功能层的复合膜设计方案;系统研究了甲酸、乙醇、二甲氧基甲烷等甲醇替代燃料的电化学氧化的性能和机理;形成完整的具有自主知识产权的催化电极、膜电极复合体等核心部件制备的关键技术,优化膜和催化剂层的连续性和均一性,提高燃料电池性能,常温操作的直接甲醇燃料电池性能已达到较高水平,80mW/cm2;在国内首次组装出百瓦级的DMFC电池组,并与有关公司合作,研制成了国内第一辆以DMFC为动力的自行车(已通过863项目验收)。目前正在着重从事直接醇类燃料电池实用化研究,针对国防等应用研制小型长寿命电源。近五年已在有影响的相关专业学术刊物,如Chem. Comm.,J. Phys. Chem., Electrochem.Comm., J. Chem. Phys., J. Power Sources, J. Electrochem.Soc.,Electrochem. Acta等上发表了与燃料电池相关SCI论文近100篇,获权/申请国内外相关专利20余项。

2. 在太阳能电池方面

A. 高效染料敏化太阳电池:该类电池由于使用窄带隙半导体电极的光电化学池存在严重的光腐蚀问题,染料敏化太阳电池主要使用二氧化钛等高稳定宽带隙半导体材料为n型电极,借助染料来实现光捕获,为人类使用低成本、绿色、可再生能源带来了希望。其核心元件包括光敏染料、空穴传输材料和纳晶介孔薄膜。目前国内外使用的主流染料为多吡啶钌配合物,已报道的器件效率可以达11.0%的钌染料共有5种,两种为我所合成,其中具有完全自主知识产权的C106在Roll-to-Roll快速染色工艺下所制备的展示型器件功率转化效率达11.7%,结合固态有机空穴输运材料所制备的全固态器件在美国NREL测试效率达5.0%。使用C103染料,可制备出基于高沸点电解质的长期光热稳定、功率转化效率为9.6%-10.0%的实用型太阳电池,基于离子液体的长期光热稳定、功率转化效率为8.5%-9.1%的实用型太阳电池。对此结果,MIT的 Buonassisi教授给出的评价为:The advance pushes the technology close to over the '10 percent hump', which is where a thin-film technology needs to be economically competitive。染料敏化太阳电池创始人Grätzel教授的评价为:We never dreamt that we could have efficiencies of 9 or 10 percent with ionic liquids. Ten years ago, we had 1 percent efficiency, and we never thought it would get any better。但钌染料需要使用昂贵的葡聚糖凝胶柱分离纯化,地球上钌储量也有限,在面对未来超大规模应用需求时,这些问题需要认真考虑。鉴于此,我们正在大力从事宽光谱吸收、高摩尔消光系数全有机染料的能带工程和分子工程研究。与瑞士Grätzel教授实验室合作,我们新开发的C218染料实现了全固态染料敏化太阳电池6.5%的效率,之前报道的最好结果大约为5%。我们设想使用具有瀑布能级的多元共轭单元来实现有机D-π-A染料的HOMO 、LUMO能级单向调控,已经制备出一些吸收达1100 nm的宽光谱吸收染料,该类染料已发表的有C217和C219。C217去年发表于Chem. Commun.,在该杂志2009发表的所有通讯论文中引用排名第1。我们最近报道的C219 为第一个在科学期刊上发表的效率突破10%的非钌基染料,文章发表后就成为Chem. Mater.点击率第一的文章。

B.薄膜太阳能电池:通过设计合成新型高性能有机聚合物光伏材料,调控其溶液状态,研究光敏复合薄膜的凝聚态结构及其演化规律,设计后处理方式构建高有序度的给/受体纳米互穿网络,实现光伏器件光学吸收、激子解离和载流子迁移率等重要参数的全方位提升,推动太阳电池性能的进一步提高。解决柔性大面积器件的制备技术,攻克连续化工艺中的关键技术问题,为有机太阳电池的产业化发展打下坚实的基础。设计合成出具有高载流子迁移率的新型窄带隙高分子给体材料,并且精确构筑光敏层纳米尺度双连续相的微观形态,进一步提升窄带隙聚合物与富勒烯材料共混薄膜的电池效率;发展具有市场潜力的基于打印和喷涂工艺的有机太阳电池连续化制备技术,通过控制溶液中有序前驱体以调控溶液的粘度,优化打印和喷涂工艺参数,并引入非热途径的后处理方法,突破大面积高效电池连续化生产的制备工艺难题,以期得到可以连续化生产且电池效率稳定5%以上的工业化生产流程。

3. 超级电容器研究方向

面向国防和民用等领域的应用背景确定方向,施行重点技术突破,包括关键材料、电池组装和发电系统集成等技术,研制出高功率,高能量和特殊环境下使用的超级电容器和锂离子电池产品,逐步改善当前超级电容器和锂离子电池性能上的某些缺憾;争取提高制备技术和性能的同时,降低产品成本,开拓应用领域和市场,为锂离子电池和超级电容器的产业化提供高技术支撑。

4. 特种镍氢电池研究方向

研究适用于超低温和高温的负极材料和MH-Ni电池,A. 可在-40℃应用的超低温镍氢电池。我国”三北地区”, 北美, 北欧和俄罗斯(占世界陆地面积的1/3以上), 冬季气温低至-30℃至-40℃, 有些地方更低,对于低温下高性能的储氢合金及MH-Ni电池具有非常多需要。普通储氢合金在如此低的温度下, 其放氢性能非常差, 甚而完全失去放氢能力. 如普通MH-Ni电池应用温度为-18℃至40℃, 在低于-30℃, 既使以0.2C放电, 放电容量也急剧衰减, 远远不能满足使用要求, 在-40℃完全放不出电, 更不必说更大放电电流了. 低温高性能新型负极材料是热点之一。国家1998年就制定了”金属氢化物-镍蓄电池组通用规范”GJB3251-98标准。迄今, 国内外都没有能在-40℃应用的负极材料和MH-Ni电池, 国外还没有研究-40℃负极材料的放电性能。B.可在60℃应用:动力电源是MH-Ni电池主要发展方向,作为车载动力和电动工具电源将是其今后最主要的应用领域。但是,现在MH-Ni电池存在高温(550C以上)环境下,电池性能急剧恶化的问题。 而550C及其以上温度, 正是车载动力电源在充电和应用时, 特别在夏季的使用环境温度。本研究获得一种以上高性能新型AB3复相储氢合金,储氢合金的电化学最大放电比容量约400 mAh/g;揭示一种或以上渗锂超熵储氢合金作为牺牲阳极保护含Li、Mg的AB3复相储氢合金的阳极保护机理,其中储氢合金中Li、Mg的含量>0.1at.%;获得具有优良宽温区(-40~+60℃)性能新型AB3复相电化学储氢合金,极端条件的放电容量不低于室温容量的60%;以宽温区为特点的高性能Ni-MH蓄电池组研制技术方面获得突破,研制出以大容量Ni-MH蓄电池组。

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