张晨光教授在碳基超级电容器在高性能交流滤波应用的研究领域取得重要进展

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滤波电容器可以将交流电信号或不同频率的噪音信号转换为直流电信号，从而保证电子器件的稳定工作，是电子电路中必不可少的元器件。目前集成电路中用作滤波的电解电容器具有很低的体积能量密度，较大体积的劣势使其与微型化的集成电路非常不匹配，尤其在未来智能化时代，便携化与智能化电子器件的发展趋势下，电解电容器器的这一缺点会极大限制微型电子电路的迅速发展。超级电容器由于具有较高的能量密度、快速充放电能力及高倍率性能，有望作为小体积交流滤波器应用于微型电子电路中。然而，目前超级电容器的电极材料仍不具备高频下的高倍率性能和高能量存储性能，因而滤波性能并不理想，且无法实现微型化设计。

        近日，我校材料学院张晨光教授课题组在基于新型碳纳米材料的高性能交流滤波器的研究领域取得重要进展。该研究团队利用单分散且尺寸均一的催化剂纳米颗粒，通过化学气相沉积法合成过程的调控，制备了一种新型的碳纳米洋葱/石墨烯复合结构薄膜。基于该薄膜电极材料的超级电容器展现出了出色的交流滤波电容性能及高体积能量密度，且在水系和有机系电解液体系中均展现出很高的倍率性能，优于现有报道的电极材料。该超级电容器器件还在交流滤波电路中展现出宽频范围内稳定的滤波性能。结合核磁共振表征与分子动力学模拟，课题组提出了复合结构薄膜具有优良滤波性能的机理。碳纳米洋葱的高曲率石墨表面、互联的碳纳米洋葱颗粒薄膜结构以及碳纳米洋葱与石墨烯之间的共价键结合赋予了复合结构快速的离子迁移能力以及高频响应能力。基于碳纳米洋葱/石墨烯复合结构薄膜的超级电容器器件有望作为小型化滤波器应用于交流转换、信号过滤以及高频储能等领域，推动微型电子器件的设计与发展，同时，该研究成果为高曲率石墨表面应用于高频电信号响应提供了新的设计思路与制备途径。该研究成果以题为“Ultrahigh-rate supercapacitor based on carbon nano-onion/graphene hybrid structure toward compact alternating current filter”发表在专业领域国际顶级期刊Advanced Energy Materials (影响因子为25.245，DOI:10.1002/aenm.202002132；全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002132)上。Advanced Energy Materials期刊是材料科学领域具有重要影响力的高水平学术期刊，主要从材料的视角关注能源的研究，报道与材料能源领域相关的顶尖的科研成果，对成果的创新性要求非常高。
       该论文以天津理工大学为唯一作者单位，由我校材料学院张晨光教授与袁志好教授课题组合作完成，张晨光教授为第一作者和通讯作者，该研究成果得到了国家自然科学基金的支持。


       文章来源：天津理工大学
       张晨光，男，天津理工大学教授。博士毕业于天津大学，美国莱斯大学，后在新加坡南洋理工大学从事博士后研究；于2016年引进回国，入选天津市海外高层次人才计划。目前主要从事碳纳米基新能源材料、可穿戴能源与电子器件方向的研究。


       袁志好，为天津理工大学教授、博导，纳米材料与技术研究中心主任。国务院特殊津贴专家，天津市“五一”劳动奖章获得者，天津市劳动模范。天津市特聘教授，天津市“131创新型人才培养工程”第一层次人才，天津市“材料物理与化学”重点学科带头人，天津市“光电显示材料与器件”重点实验室主任，“功能材料”国家级实验教学示范中心主任，“材料物理”国家特色专业建设点负责人。Chinese Physics Letter杂志特约评审，美国化学会会员。
        长期从事纳米材料与器件方面的研究，在国际上首次提出基于纳米材料尺寸效应构建一维梯度纳米结构材料的学术思想，发明了基于含结晶水金属盐受热形成纳米气泡及气泡模板法制备纳米环的方法，在纳米材料与结构设计、制备与应用方面成果丰硕。主持国家自然科学基金项目5项、省部级重点项目4项，完成企业合作项目3项；发表SCI论文120余篇，单篇最高他引200余次；合作出版学术专著2部；授权发明专利16项，转让专利成果2项。