前沿院娄晓杰教授课题组两名毕业生在Science发表新型制冷技术论文

随着全球科技进步和生活方式的快速变化，能源消耗和环境污染问题变得日益突出。现行的制冷、空调和热泵系统主要依赖蒸汽压缩技术，该技术使用的氢氟碳化合物对环境造成了严重影响，导致的温室气体排放占全球总排放量的10%。这些蒸汽压缩制冷系统不仅产生大量间接二氧化碳排放，而且其制冷剂泄漏也是大气污染的重要源头。目前，全球约10%的电能被用于驱动建筑物的空调系统，预计到2050年这一数字将翻倍。面对这些挑战，同时减轻对电网的依赖并缓解全球变暖带来的影响，开发低碳排放的新型制冷技术刻不容缓。

2023年11月9日，美国马里兰大学材料科学与工程系胡良兵教授团队在Science期刊发表题为“A solution-processed radiative cooling glass”的辐射制冷技术研究论文。胡良兵教授为论文通讯作者，论文共同第一作者为赵新朋博士、李堂源博士、谢华博士、刘鹤博士，均为西安交通大学校友。其中，李堂源博士毕业于西安交通大学前沿院，导师为娄晓杰教授。

在该研究中，赵新朋、李堂源、谢华、刘鹤博士等人设计并制备了一种随机光子复合材料，该材料由微孔玻璃框架和氧化铝颗粒组成。微孔玻璃框架具有选择性发射低温红外辐射的特点，同时具有相对较高的太阳反射率。氧化铝颗粒可强烈散射太阳光，并在制造过程中防止多孔结构致密化。在高湿度（高达80%）条件下，基板温度在中午也能比环境温度（30 ℃）低3.5 ℃，在夜间（环境温度17.5 ℃）低4 ℃。除了其优异性能外，这种冷却玻璃还具有与基材（如瓷砖、砖、玻璃和金属）的高粘合强度。即使暴露在水、紫外线、污垢和高温火焰冲击（高达1000 ℃）等恶劣条件下，也能保持较高的太阳反射率。因此，这种用于被动辐射冷却的简单、可扩展、具有成本效益和环境稳定性的玻璃涂层既能减少能源消耗、帮助减缓全球变暖，又能改善居住舒适度。

2023年11月16日，卢森堡科学技术研究所Emmanuel Defay教授团队在Science期刊发表题为“High cooling performance in a double-loop electrocaloric heat pump”的电卡制冷技术研究论文，Emmanuel Defay教授为论文通讯作者。论文第一作者为李俊宁博士（硕士毕业于西安交大前沿院，导师为娄晓杰教授）。

在该研究中，李俊宁博士等人提出了一种新型电卡冷却器。针对目前电卡制冷最高功率仍然低于1 W，远远低于普通商用制冷机百瓦量级这个难题，他们优化了可再生式制冷机的几何结构。在最优的结构下，研究人员得到了一个温跨（冷端和热端的温差）可达到20 K的器件。然后，他们利用了一种双回路的方法（该方法由JAKA TUŠEK教授首先提出，并被应用在弹卡制冷样机中），并系统测试了此原型机的制冷功率。在温跨达到2.2 K的条件下，其制冷功率高达4.2 W。这一成果表明电卡制冷器件可以实现瓦级别的制冷。同时，研究人员也测试了器件在输入的电能被回收利用的情况下的工作效率，这一数值达到了64%，非常接近电卡制冷的理论数值（因为理论上“卡”制冷器件的工作效率是高于传统制冷机的）。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2224

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5477

● 2022-06-10

压电致动器精度高、响应速度快，被广泛应用于生物医学、微电子、油气勘探和航空航天等领域。这些压电器件通常需要在很宽的温度范围内（室温-高温）工作，且要求其同时具有大电致应变和低应变滞后。目前应用最广泛的压电陶瓷主要是铅基材料，但是由于铅对人体和环境有危害，因此开发高性能无铅压电材料迫在眉睫。

钛酸铋钠（Bi0.5Na0.5TiO3，BNT）基压电陶瓷具有场致应变大、居里温度高的优点，因此成为最有潜力的候选材料之一。目前主要有两种方法提高BNT基材料的压电性能：（1）通过化学掺杂构筑准同型相界（MPB），降低能垒，从而促进极化反转和延伸获得大电致应变；（2）通过破坏长程铁电有序，产生弛豫态，从而获得较低的应变滞后。尽管如此，在宽温域内同时获得高应变和低滞后的BNT基压电陶瓷鲜有报道。

在本研究中，娄晓杰教授课题组与合作者通过弛豫-铁电相场模拟和合理成分设计，制备了0.97Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3-0.03K0.47Na0.47Li0.06Nb0.99Sb0.01O2.99（简称：BNBT-KNLNS3，BNBT作为基元，KNLNS铁电相作为掺杂组元）陶瓷；该陶瓷在很宽的温度区间（25-125 °C）具有大应变（0.32-0.51%）和低应变滞后（最低仅为~11.1%）的优异压电性能。BNBT-KNLNS3的高性能可归因于三个方面：首先，在电场作用下弛豫到铁电的转变；其次，由四方相和菱形相组成的MPB的存在有效地降低了弛豫到铁电转变的能垒；最后，嵌入在弛豫基体的一小部分铁电态促进了弛豫到铁电的可逆转变，同时伴随极化反转和延伸，最终使BNBT-KNLNS3陶瓷在宽的温度范围下呈现出低滞后的大应变。

以上研究成果以《通过准同型相界调控获得高应变性能的无铅压电陶瓷》（High-Performance Strain of Lead-Free Relaxor-Ferroelectric Piezoceramics by the Morphotropic Phase Boundary Modification）为题发表于国际材料领域期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。论文第一单位是西安交大前沿院和金属材料强度国家重点实验室，第一作者为李堂源博士，通讯作者为前沿院娄晓杰教授、王栋教授和东南大学李玲龙副教授。该研究工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等项目的资助。同时感谢西安交通大学分析测试中心给予的帮助和支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202202307

● 2022-05-27

世界能源消耗激增以及低排放要求，促进了太阳能、风能等高效清洁的可再生能源的发展。而有效的电能存储设备是利用这些可再生能源的关键。目前，电池、电化学电容器和介电电容器被认为是主要的储能设备。其中，电池和电化学电容器具有高能量密度，但因为其通过化学反应存储能量，因此功率密度低。而介电电容器通过在外加电场作用下电荷的位移储存能量，因此具有超高的功率密度和快速的充放电速率，故在先进脉冲电子工业领域表现出巨大的潜力。尽管如此，介电电容器的能量密度仍需要进一步的提升。从材料科学设计的角度来看，材料的微观结构决定其宏观性能。因此，本工作从微观结构出发进行设计，期望制备出具有优异性能的介电储能陶瓷。

本工作中，Sr0.7La0.2Zr0.15Ti0.85O3（SLZT）作为第二组元掺杂进入Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）基体中，延迟了极化饱和，降低了畴尺寸和晶粒尺寸，形成了弱极性的局部四方相（P4bm）和立方相（Pm-3m），从而获得优异的能量存储性能。图1给出了结构-性能关系的示意图。最终，在0.67BNT-0.33SLZT陶瓷中实现了5.09 J/cm3的储能密度和88％的储能效率。通过X射线衍射精修，透射电子显微镜和压电力显微镜等协同分析，详细揭示了潜在的微观机制。该工作为储能材料的设计提供了新的思路。相关成果以“Enhanced energy storage performance in Sr0.7La0.2Zr0.15Ti0.85O3-modified Bi0.5Na0.5TiO3 ceramics via constructing local phase coexistence”为题发表在国际著名期刊 Chemical Engineering Journal（IF=13.273）上，该论文第一作者为在读博士研究生康瑞瑞，通讯作者为西安交通大学娄晓杰教授、张立学教授和西安科技大学赵莹莹博士，西安交通大学为论文第一单位。该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费以及鄂尔多斯市科技合作重大专项等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137105

● 2022-04-18

随着电力电子产业的快速发展，具有电路调谐与耦合以及能量存储作用的介电电容器在脉冲功率体系和能量存储设备中发挥着越来越重要的作用。由于具有高功率密度、超快充放电速度以及机械稳定性好等优点，介电电容器广泛应用于新能源汽车、电磁设备、5G基站以及自动体外除颤器等设备上。但是，能量密度低、使用温度范围窄等因素也限制了其进一步的商业化应用。发展兼具高储能密度和优异的温度稳定性的介电陶瓷电容器成为了当前研究的热点方向。介电陶瓷电容器的储能密度大小由电滞回线和Y轴的积分面积决定。因此，除了被广泛研究的高Eb、大Pmax和小Pr三个要素外，防止电滞回线过早的饱和也是提高储能密度的一个重要方法。近年来，为了探讨延迟极化饱和的影响因素，研究人员做了大量的工作。然而，延迟极化饱和的机理仍然不够清晰。对于弛豫铁电陶瓷，电子构型、动态极性纳米区、弱极性相和A/B位掺杂这些因素中哪一个是抑制过早极化饱和的主要因素，以及延迟极化饱和的具体过程是什么，这些都需要进一步的研究以提高陶瓷的储能密度。

近期，西安交通大学前沿院娄晓杰教授团队以Bi0.5Na0.5TiO3基陶瓷为研究对象，通过XRD精修、PFM和TEM等手段探讨了电畴结构的活性、尺寸和电场响应速度对延迟极化饱和的作用机制。在延迟极化饱和与高击穿电场的协同作用下，于0.90BNST-0.10BMZ陶瓷中同时获得了8.46 J/cm3的高储能密度、85.9%的高效率以及522 kV/cm的高击穿电场。此外，还结合变温P-E曲线、介电温谱和变温Raman研究了陶瓷的储能温度稳定性。相关工作以“Ultrahigh energy storage density in (Bi0.5Na0.5)0.65Sr0.35TiO3-based lead-free relaxor ceramics with excellent temperature stability”为题发表在国际能源领域著名期刊《Nano Energy》上。西安交通大学前沿院为该工作的第一通讯单位，博士研究生朱孝培和高阳飞为共同第一作者，娄晓杰教授为论文通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107276

● 2021-04-01

铁电材料具有非中心对称的晶体结构，由此产生的自发极化可实现力、热、电、磁、光等一系列物理参量的耦合，进而产生丰富的功能效应。而在具有中心对称晶体结构的电介质材料中，应变梯度的存在也会打破材料的中心对称并产生极化，该现象称之为挠曲电效应。挠曲电效应的这一特征为柔性功能器件的设计提供了更广泛的材料选择。

最近，西安交通大学前沿院娄晓杰教授课题组设计了一种基于挠曲电效应的光电探测器。该光电器件具有金属/氧化物/金属结构，通过利用LaFeO3薄膜与LaAlO3衬底之间晶格失配的逐渐弛豫在LaFeO3薄膜中引入应变梯度，从而产生了显著的挠曲电效应。挠曲电效应通过调控LaFeO3薄膜的能带结构将光生载流子分离，产生的光生电流密度为0.3 mA/cm2，光生电压为0.4 V。该光伏器件对外加光照能够产生纳秒级的时间响应，从而实现对外界光照的超快探测。

相关研究成果以“Flexoelectric thin-film photodetectors”为题发表于《Nano Letters》期刊上。西安交通大学为该论文的第一作者单位及通讯作者单位。西安交通大学电气工程学院吴明博士后和青岛大学姜植峥硕士生为论文的共同第一作者，西安交通大学娄晓杰教授，青岛大学温峥教授和新加坡国立大学Stephen J Pennycook教授为论文的通讯作者。参与本项工作的还包括香港理工大学的张帆博士、Dai Jiyan教授，安徽大学的宋东升教授，新加坡国立大学的宁守琮博士后和西安交通大学的郭梦瑶博士生。

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图1. 不同尺度下的挠曲电效应。（a）厘米尺度下的挠曲电效应，通过梯形结构设计，可实现媲美于压电效应的力电耦合；（b）微米尺度下的挠曲电效应，通过缎带结构设计，可从环境振动中获得能量；（c）和(d) 纳米尺度下的挠曲电效应，可以显著调控材料的能带结构并产生光伏效应；（e）不同材料的带隙及与太阳光谱的对比。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00055

● 2021-03-12

铁电材料除具有优异的光电特性外，同时可表现出铁电、压电、热释电等多种特性，它们可以直接从振动、水流冲击和温度波动中获取微弱而多样的自然能源，引发各种反应将其转化为电荷，为在各种情况下获取多种能源用于催化提供了诱人的前景。目前关于压铁电催化的研究大多集中在通过超声振动提供外力诱导材料内部电场对反应进行有效的调控。然而，产生超声波的大功率设备非常耗能，难以大规模的应用。

为了让铁电体能吸收更多环境中已经存在的能量，我们采用溶胶-快速沉降法制备了PVP表面活性剂修饰的Sr0.3Ba0.7TiO3纳米晶体（SBT-0.3）。实验结果显示，即使在黑暗条件下，PVP修饰的SBT-0.3催化剂，可以同时获取机械摩擦能和低温波动两种能源，显著改善了对有机染料RhB的分解能力，RhB的分解率达到了98%。相比于室温（25 ℃）仅采用单一磁力搅拌的情况提高了13%。另外，通过与未添加表面活性剂的SBT-0.3催化剂相比，我们发现PVP表面活性剂有助于载流子的分离，这为设计新型铁电催化剂提供了策略与方向。在SBT-0.3中，自发极化加上压电/热释电电势可以产生内部电场，从而减少自由载流子的复合。它还有助于对染料溶液中的带电物质进行吸附，促进活性氧发生反应，从而引起染料分子化学键的断裂。这些发现有助于加深我们对摩擦-热释电的催化机制的认识，也为提高铁电材料的催化效率提供了新的策略。

该研究结果以“Insights into the tribo-/pyro-catalysis using Sr-doped BaTiO3 ferroelectric nanocrystals for efficient water remediation”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上，前沿院博士生杨变为本论文第一作者，前沿院为第一单位。杨耀东教授和娄晓杰教授为该论文的通讯作者。

论文链接：https://authors.elsevier.com/a/1cf-p4x7R2YgZd

● Nov.13 2018: Molecular Perovskite-Like Multiferroic Metal-Organic Framework

A type‐I multiferroic phase of [(CH₃)₂NH₂][Ni(HCOO)₃]creates significant elastic and anelastic anomalies associated with the ferroelectric and magnetic ordering transition. The overlapping strains, from separated ferroic ordering parameters, could provide a mechanism for strong magnetoelectric properties in nickel‐based molecular multiferroics.

博士生辛利鹏通过长期不懈努力实现了镍基杂化钙钛矿大尺寸单晶的可控合成，并在凝聚态无机-有机杂化钙钛矿晶体中观测到自发应变调控的多重铁性序参数的静态和动态耦合行为,澄清了该类新型单相多铁材料的微观耦合机制，相关工作近日发表在国际材料领域权威期刊、自然指数期刊——Advanced Functional Materials上，并被收录在Hot Topic:Magnetic Materials专辑中。（DOI:10.1002/adfm.201806013）

相关报道： 西安交大中文版主页新闻(XJTU NEWS)、 中国科技网、研之成理、ferroelectrics

西安交大英文版官网新闻(XJTU English Version News)

● Sep. 12 2018: Top 1% of reviewers in Materials Science & Chemistry

近日,科睿唯安(Clarivate Analytics)颁布了2018年度“Publons同行评议奖”，在所属领域排名前1%的顶级审稿专家(Top 1% in each field)这一奖项中，共有264位来自中国大陆学术机构的学者（包括在中国大陆学术机构工作的外籍科研人员）在按照ESI学科分类系统中的22个科研领域获奖。博士生Lipeng Xin同时在化学、材料科学两个学科获奖。此外，还成为Publons Academy同行评议学院的mentor。科睿唯安(Clarivate Analytics)官方新闻报道