最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所和北京大學合作研究，崔厚磊、黃富強等研究者發現了一種全新的超級電容器性能優異的氮化鈮電極材料——nb4n5納米孔薄膜。nb4n5屬于四方晶系的i4/m空間群，為一種富含nb空位缺陷的nacl型結構，從未被用作儲能材料。其制備過程簡單，只需對nb箔在適當條件下進行陽極氧化，隨后在nh3氣氛中熱處理，即可制備出高度有序的nb4n5納米孔陣列。xps分析結果表明nb4n5同時包含nb3+和nb5+，混合價態陽離子的存在不僅產生了法拉第贗電容，而且導致了良好的類金屬的導電性。在1mh2so4電解液中，0.5macm-2的電流密度下獲得了226mfcm-2的面電容量，遠高于類似nb2o5電極的0.2mfcm-2，也達到了金屬氮化物納米結構薄膜電極的最高水平。電流密度增大到10macm-2時，仍可保留為137mfcm-2說明了良好的倍率性能。此外通過多巴胺的聚合、碳化，在nb4n5納米孔薄膜電極包覆了超薄碳膜，顯著改善了循環穩定性，2000個循環伏安周期后電容保留率提高到接近100%。研究表明，碳包覆的nb4n5納米孔薄膜可以組成雙電極對稱器件，具有良好的實際應用潛力。
說起業界所謂的“超級材料”，相信不少人首先想到的會是藍寶石。沒錯，這種硬度超高的材料因為蘋果的青睞而備受關注。但除了藍寶石之外，科學家們已經在實驗室中研發出了不少意義重大的超級材料，本文就將對其中的6種進行介紹。
自我修復材料——仿生塑料
人體具備非常強大的自我修復能力，但建筑環境卻并不具備這種能力。去年，伊利諾伊大學的Scott White研發出了一種具備自我修復能力的仿生塑料。這種聚合物內嵌有一種由液體構成的“血管系統”，當出現破損時，液體就可像血液一樣滲出并結塊。相比其他那些只能修復微小裂痕的材料，這種仿生塑料可以修復最大4毫米寬的裂縫。
熱電材料——熱量清道夫
對于任何一部會使用能源的設備來說，廢熱的產生都是不可避免的。根據估算，人類所使用的所有能源當中有2/3都以廢熱的形式流失了。可要是有辦法能夠捕捉到這些被浪費的能量呢?
去年，一家名為Alphabet Energy的公司開發出了一種熱點發電機，它可被直接插入普通發電機的排氣管，從而把廢熱轉換成可用的電力。這種發電機使用了一種相對便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據稱可達到5-10%的能效。
在實驗室當中，科學家們已經在研究另一種具備可發展前景，甚至能效更高的熱電材料，名為方鈷礦，一種含鈷的礦物。熱電材料目前已經開始了小規模的應用——比如在太空飛船上——但方鈷礦具備廉價和能效高的特點，可以用來包裹汽車、冰箱或任何機器的排氣管。
鈣鈦礦——廉價太陽能電池
成本是可再生能源發展中的最大障礙。太陽能正在變得更加便宜，但使用晶體硅制作太陽能電池的成本和能源消耗依然非常高。可除了晶體硅之外，還有一種可用來制作太陽能電池的替代材料，那就是鈣鈦礦。
鈣鈦礦被發現距今已經有超過100年的時間了，但科學家直到現在才開始意識到這種材料的潛力。在2009年，使用鈣鈦礦制作的太陽能電池具備著3.8%的太陽能轉化率。到了2014年，這一數字已經提升到了19.3%。相比傳統晶體硅電池超過20%的能效，這或許算不了什么，但這里還有其他兩個關鍵點需要考慮：首先，鈣鈦礦的能效僅在幾年的時間里就得到了大幅的提升，且科學家認為，這種材料未來依然有提升的可能;其二，鈣鈦礦的成本要低得多。
鈣鈦礦是由特定晶體結構所定義的一種材料類別，它們可以包含任意數量的元素，用在太陽能電池當中的一般是鉛和錫。相比晶體硅，這些原材料要便宜得多，且能被噴涂在玻璃上，無需在清潔的房間當中精心組裝。
氣凝膠——超輕、超強韌
氣凝膠看上去似乎是一種不真實的材料。盡管看上去空虛飄渺，但它卻能輕松承受一盞噴燈的熱量，或是一輛汽車的重量。如名所示，這是一種液體被空氣完全替換的膠體，這也就是為什么它看上去就像是一團煙。氣凝膠可由任意數量的物質所制成，包括二氧化硅、金屬氧化物和石墨烯。由于空氣占了絕大部分比重，氣凝膠還是一種絕佳的絕緣體。它的結構也賦予其超高的強韌性。
不過氣凝膠也有一個致命的缺陷：脆性，特別是原材料為二氧化硅時。但NASA的科學家已經在實驗一種由聚合物所制成的柔性氣凝膠，作為太空飛船在穿過大氣層時的絕緣材料。將其他化合物加入到二氧化硅氣凝膠可增強其柔韌性，再加上本身的輕巧、強韌和絕緣性，這將會使其成為一種不可思議的材料。
超材料——光操縱器
如果你聽說過超材料(Metamaterial)，那介紹它的材料當中應該還提到了“哈利波特”和“隱形斗篷”。是的，超材料的納米結構能夠以特定的方式對光線進行散射，在未來，它或許真的可以讓物體隱形。更有意思的是，超材料不光能對可見光進行重新導向。根據制作方式和材料的不同，超材料還能散射微波、無線電波、和不太為人所知的T射線。實際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。
比如說，如果用超材料制作一部新型的T射線掃描儀，它的性能可隨時改變，無論是被用在醫療還是安全領域。
Stanene——導電率100%的材料
和石墨烯一樣，Stanene也是一種由單原子層所制作的材料。但由于使用了錫原子而非碳原子，這使其具備了石墨烯所無法實現的特性：100%的導電率。
Stanene在2013年由斯坦福大學張首晟教授首次進行了理論化。預測Stanene這類材料的電子屬性是張教授的實驗室所擅長的領域之一，根據他們的模型，Stanene是一種拓撲絕緣體，也就是說，它的邊緣是導體，而內部是絕緣體。這樣一來，Stanene就能在室溫下以零阻力導電。Stanene的屬性尚未經過實驗測試——畢竟制作單層錫原子并不是件易事——但張教授對于其他一些拓撲絕緣體的多項預測都被證明是正確的。
如果對于Stanene的預測也被證實，那它有可能對所有電子設備內部的微芯片產生革命性影響。也就是說，芯片的性能將會被大大增強。由于電子所產生的熱量，硅芯片的性能是有所限制的——如果運轉速度過快，發熱也會過高——而擁有100%導電率的Stanene卻不會有這樣的問題。
nb4n5納米孔薄膜還可作為良好支撐體來沉積其他活性材料，組成復合電極;還有望應用于其他能源相關的應用中。該材料制備方法簡單可靠，形貌結構優異，電化學性能優越，可以推廣至ti、w、zr、nb和ta等體系中，為開發設計新型的氮化物、氧氮化物超電電極材料提供了良好思路。
相關工作得到了國家自然科學基金、上海市科委重點基金項目的資助。
來源：中國青年網
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