何种材料更适合用作电动车“超强电池”，长期以来材料家并未找到理想材料。中科院上海硅酸盐所黄富强研究团队发现，石墨烯是超级电容器电极的最佳选择，其研究已于12月18日被《科学》期刊发表。 

石墨烯电池

据新华网消息，12月18日，记者从中科院上海硅酸盐所获悉，该所科学家已研制出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯。该材料具有极佳的电化学储能特性，可用作电动车的“超强电池”：充电只需7秒钟，即可续航35公里。相关研究成果已于12月18日发表在世界顶级期刊《科学》上。

超级电容器是重要的新型储能器件，具有功率密度高、循环寿命长和安全可靠等特点。目前超级电容器已应用于混合电动汽车、大功率输出设备等多个领域,形成一个非常可观的市场规模，近年来保持近20%的全球增长率,产业前景突出。但现有超级电容器仍受限于低能量密度（商用活性炭：5–7 瓦时/公斤），远不如锂电池（>80瓦时/公斤），原因在于较低的比容量（<250法拉/克）。如何让超级电容器兼具高功率、高能量，长期以来科学家并没有找到理想材料。

而同属炭族的石墨烯，因拥有高比表面积、优良导电率和稳定化学结构特点，已经成为国际研发热点，并有望成为下一代高性能超级电容器的理想电极材料。

近日，中科院上海硅酸盐所与北京大学、美国宾夕法尼亚大学合作研究，黄富强研究员、陈一苇教授、林天全博士等设计合成的一种氮掺杂的有序介孔石墨烯，具有极佳的电化学储能特性，比容量高达855法拉/克。组装成的对称器件能快速充电和快速放电，不亚于商用碳基电容器。专家表示，它的优性源于：氮掺杂诱生了氧化还原反应，也增加了电化学储能活性，又没有降低材料的高导电率。所研制的对称器件在水溶液中工作安全无毒，能量密度为41瓦时/公斤（基于活性物质为63瓦时/公斤），功率密度达到26千瓦/公斤（基于活性物质为44千瓦/公斤）。黄富强研究团队最终发现，石墨烯是超级电容器电极的最佳选择。

据悉，这种新型石墨烯超级电容器可以采用低成本制备，实现规模生产。

通过反复试验、设计、合成，黄富强研究团队发现，氮掺杂有序介孔石墨烯的性能表现最佳。不仅能实现高能量密度、高功率密度，而且还可以通过使用水基电解液，做到无毒、环保、价格低廉、安全可靠。

中科院上海硅酸盐所博士生导师，国家杰出青年基金获得者，上海市学术带头人，中科院“百人计划”，上海市“浦江人才”，Email：huangfq@mail.sic.ac.cn

课题组主页：http://www.sic.cas.cn/kybm/kybm5/ktzsz/hfq

个人简介：

1969年生。1990年获南京理工大学工学学士，1993年获吉林大学理学硕士，1996年获北京师范大学博士学位。1996-2003年，在美国密西根大学化学系、美国西北大学化学系、美国Osram Sylvania Inc.（属西门子公司）、美国宾夕法尼亚大学材料系从事科学研究或技术开发。2003年，中国科学院上海硅酸盐研究所，"百人计划"引进，研究员，博士导师。兼具基础和应用背景。

研究兴趣在于：

(1)新能源化合物设计、新奇物性探索；

(2)纳米新能源材料制备、先进能源器件集成。

近年来围绕新型太阳能和先进储能应用，在材料设计、材料制备和器件集成方面做出了深入而系统的创新性工作，形成了“国际特色”的新能源研究。发表Nature Mater.、Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、AM、EES等SCI论文300余篇，总引用超过6000次，10篇单篇引用超过100次，最高单篇引用超过380次；申请发明专利100余项(含国外20余项)；关于新型光电材料微观设计等多篇论文被Chemical Engineering Elsevier授予most cited award荣誉证书、入选欧洲化学的“very important paper”、被德国应用化学“spot highlight”、被英国皇家化学会评选为“hot article”；关于多元复杂体系化学设计的低温快速制备被NPG Asia Materials期刊(Nature亚洲子刊)以“Keep it cool”为题专文评论；关于黑色二氧化钛方面的工作，被Chemistryviews进行题为“Titania: Black is the New White”的专文评论。

主要研究方向：

鉴于最关注的人类生存问题，本课题组聚焦太阳能的应用，围绕新能源材料设计和构建规律，结合最新的纳米材料和薄膜制备技术，发现和研制出新型能源材料，并应用于高效太阳能电池器件。具体研究原子分子层次到宏观尺度的材料结构－性能关系；新型能源转换材料设计，克服炒菜式的传统材料研究方法；能源转换材料与器件制备，低成本、创新工艺、自主知识产权。本课题组的方向大致可分为光伏材料与器件和先进能源材料。

一、光伏材料与器件

1、薄膜太阳电池器件研究

• 铜铟镓硒薄膜太阳电池 (Copper Indium Gallium Diselenide (CIGS) Solar Cells) 

铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se2，CIGS）薄膜太阳电池是目前光电转换效率最高的薄膜电池，被认为是新一代最有前途的太阳电池之一，具有成本低、效率高、寿命长、弱光性能好、抗辐射能力强、可柔性且环境友好等多方面的优点，是民用建筑、移动设备、军用单兵和空间飞行器电源的理想选择，具有广阔的发展前景。

CIGS薄膜太阳电池长期以来备受关注，然而光吸收层CIGS薄膜的传统制备工艺复杂、电池成品率低、生产成本过高，至今仍然产量很低、市场份额很小，未能实现大规模的产业化生产。发展出低成本、大面积、高质量CIGS光吸收层薄膜的制备新方法是高效CIGS太阳电池的基础，也是成功实现大规模产业化的关键。我们已经成功开发了具有完全自主知识产权的非真空胶体溶液法和化合物靶溅射法制备技术，从根本上克服了传统CIGS薄膜制备工艺的缺陷，大幅降低了生产设备投资、提高了产品良率，电池成本远远低于晶硅电池。

基于所开发的非真空胶体溶液法和化合物靶溅射法，电池性能获得提升，小面积电池转换效率达14.61%。实验室已具备10*10cm2面积CIGS电池所需的各种薄膜沉积设备，转换效率达到10%。所开发的非真空胶体溶液法已申请国际发明专利（成功通过了国际发明专利申请：PCT/CN2008/073805，并申请了美国、欧洲、日本、韩国、印度、台湾等国家和地区的发明专利），在创新评估中获得“AAAAAA”的优秀结果。并以此为核心，形成了一个40余项太阳电池和关键电池材料的专利群。

在国家科技部973和重大863项目、中科院重要知识创新方向光伏行动计划、国家自然科学基金项目支持，正致力于大面积、高效率、低成本CIGS薄膜太阳电池的制备研究，积极推进自主技术的电池中试生产线，同时开展新型无铟吸收层Cu2ZnSnS4（简写为CZTS）化合物薄膜太阳电池的研究。

• 最便宜的太阳能电池—碲化镉电池 (The Cheapest Solar Cells-CdTe) 

太阳能高效发电技术作为支撑我国国民经济、可持续发展的前瞻性和战略性新能源技术在最近颁布的国家中长期科学和技术发展规划中已被列为重点支持和优先发展的方向。电池的低成本和大面积的制备技术是在光伏领域中各界广泛关注的重点研发方向，最近碲化镉CdTe薄膜太阳能电池成功地实现了商业化。商业化的CdTe电池工艺解决了生产的低成本问题，已经降到5.6元/W，是目前成本唯一降到7元以下的太阳电池。

CdTe太阳电池的理论转换效率为27%，自2001年实验室记录以来一直停留在16.5%，目前的瓶颈在于如何通过创新来提高电池的效率。通过引入新功能材料，构建新电池结构，优化电池工艺，有望得到高性能，低成本，工艺稳定的CdTe电池。

如何实现对太阳全光谱的充分吸收、提高光生载流子的产生效率和促进电子-空穴分离以及降低成本,一直是解决太阳能电池产业化规模应用的核心关键问题，拟开展研究如下：  

(1) CdTe吸光层的p型掺杂研究。CdTe薄膜的p型掺杂一直是低成本制备的难题，也是大幅度提高光电转换效率的关键和难点。因此加强对p型CdTe的光电材料的原创性研究，结合现有CdTe电池的工艺，有望在高效CdTe电池上有更大的突破。

(2) CdTe基带隙渐变的叠式吸收层结构设计。通过能带工程的多层次设计，制备Cd1-xZnxTe/CdTe吸光层多层结构，研究多层薄膜的能带匹配性质，考察宽光谱吸收、光电转换的特性，优化出高性能的式吸收层结构。

(3) 前电极和背电极材料的研究。研究具有光捕获效应的透明导电薄膜；研究具有高电荷收集能力的背电极材料，研制功函数匹配的的多元化合物导电材料，增加欧姆接触和提高电荷收集。此工作涵盖本课题组的透明电极和石墨烯工作。

(4) CdTe太阳电池的结构设计与优化。可以通过叠层电池结构，实现对太阳光的宽光谱响应，同时通过对能带失配度合理控制，实现少子寿命的大幅提高和自由程大幅增加，从而为实现更高效CdTe太阳电池提供坚实的基础。

本课题获得中国科学院重大创新工程课题的支持，相关课题包括上海市非政府间合作课题。我们课题组在前期工作中，获得转换效率超过12%的电池。我们正致力于制备高效、低成本、大面积的薄膜电池研究，进一步推进CdTe太阳电池的产业化发展，增强光伏产业在可再生能源中的竞争力，缓解能源危机和环境恶化。

• 纳米结构新概念电池 (Dye-Sensitized Solar Cells) 

染料敏化太阳能电池 (Dye-Sensitized Solar Cell，简称DSC) 是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池。自Gratzel教授于1991年首先报道基于纳米晶材料的新型染料敏化太阳能电池以来，该电池以其低廉的成本、简单的制作工艺和电池制备的低能耗赢得了各国科学家广泛的关注并取得了长足的发展。传统的硅基和薄膜太阳能电池依靠的是光物理效应，而DSC则是通过光化学-物理过程来实现光电转换，可以使太阳能电池的光电转换材料不再局限于制备过程复杂、价格昂贵的高纯无机半导体，避免了对高真空的要求，从而大大降低了电池的成本。染料敏化太阳能电池主要由纳米晶多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。通过优化各组分，强化电子输运循环过程的正反应，抑制电荷复合背反应，是实现高效DSC的关键。

TiO2纳米晶是目前效率最高，也是最有前途的半导体光阳极材料，然而它也存在一些不足限制了器件的性能。比如二氧化钛材料本身的低电子迁移率 (0.1-4 cm2·V·s-1)，以及纳米晶的晶界电子散射均不利于电子的正向传输。我们以能带理论为指导，提出了半导体|半金属|半导体的复合结构模型；通过调控TiO2的电子结构、优化其成分来实现光阳极材料高的电子传输和收集能力，从而提升太阳能电池的光电性能，研究成果被Adv. Funct. Mater. 和Adv. Mater. 等国际知名期刊接收。

• 钙钛矿太阳能电池 

钙钛矿太阳电池（perovskite solar cell）是当今最有前途的几种光伏技术之一，能大幅降低太阳电池的制备成本和使用成本。自2009年首次报道钙钛矿电池以来，其光电转化效率不足4%，到2014年突破19%，钙钛矿太阳电池迅猛发展，光电转换效率平均每年提高3%。美国SCIENCE周刊评选2013年十大科技突破之一为钙钛矿太阳电池光电转换效率突破15%，英国NATURE周刊2014年新年伊始预测今年最值得期待的科技突破之一是钙钛矿太阳电池的光电转化效率有望突破20%，以及无铅钙钛矿太阳电池的出现。 

钙钛矿电池核心材料为有机-无机金属卤化物，具有典型的钙钛矿结构，化学式为ABX3，其中A为RNH3，B为Pb、Sn，C为I、Br、Cl，在太阳能电池中运用最为广泛的材料为CH3NH3PbI3。该类材料有着众多优点，包括高吸光系数、高的载流子迁移率，较长的载流子扩散长度，合适且可调的禁带宽度等等，使之成为优秀的吸光层材料。此外，该类材料可以通过简单且成本低廉的化学液相法制备，使之具有巨大的大规模应用的潜力。 

本课题获得上海市、本单位的大力支持。 

 2、太阳能电池关键配套材料研究

• 高性能n型透明导电薄膜 (High Performance n-type Transparent Conducting Films) 

透明导电薄膜(TCO)由于具有高的可见光区透射率、高的红外区反射率和对微波强的衰减性，同时具有低的电阻率等独特的性能，因此得到了迅速发展且在许多领域得到了广泛的应用。n型透明导电薄膜是光伏电池中关键的光电配套材料，占非晶硅a-Si薄膜电池成本的30-40%。In2O3:Sn(ITO)和SnO2:F(FTO)是已经发展成熟的n型TCO材料，分别大规模应用于平板显示和建筑/太阳光伏能源系统两大领域。ZnO:Al（AZO）透明导电薄膜因价格便宜、来源丰富、无毒、易于大面积生产，并且在氢等离子体中稳定性要优于ITO和FTO薄膜，同时具有较ITO薄膜更好的光电特性，因而成为ITO薄膜更有利的替代者，ZnO基透明导电膜体系近期更是成为世界范围内的研究开发热点。光捕获技术是当前薄膜太阳能电池高效化的关键之一，TCO的织构化作为光捕获技术的关键，正成为行业竞争的焦点。

我们的研究主要侧重于：1. 非铟、低铟TCO薄膜的低成本制备技术；2. 表面织构化ZnO基透明导电膜体系的低温制备；3. 高性能表面织构化TCO薄膜在太阳能电池中的应用。

我们采用磁控溅射两步法室温制备高性能表面织构化的AZO薄膜，所制备的AZO薄膜，方块电阻为(0.66Ω/sq)、可见透光率(-90%)、RMS粗糙度(40.2 nm)，指标均达到或超过文献报道。

• 新型p型透明导体 (Novel p-type Transparent Conducting Films) 

透明导电材料是同时具有高度可见光透过性和良好导电性的半导体材料，被广泛应用于平面显示、电子信息、建筑等领域中,也是新型高效太阳能电池的关键材料。p型透明导体的应用极大地提高了半导体器件的工艺窗口，拓展了半导体制造工艺。p型透明导体在电池中可用来替代金属电极，进而降低不透明区域面积，提高受光面积。在新结构电池上，p型透明电极的应用同样重要，若能将透明电极镶嵌于多个吸光材料层间，及时将空穴和电子导出，就可以实现各太阳光波段光电转换效率高的材料依次复合组成电池，从而最大程度地利用太阳光，大幅度提高光伏转换的效率，进而降低光伏发电成本。

为解决可见透光和高p型空穴导电的相互制约导致高性能p型透明导体的稀缺，我们提出运用结构功能区的概念，成功地将这两个属性在同一材料体系中实现，开发出高性能的新型p型透明导体体系；同时应用渠道火花烧蚀(CSA)法、脉冲激光沉积(PLD)法、非真空液相法对已得的材料进行薄膜化以及透明p-n 结元器件化的尝试。已经制备出Sr3Cu2Sc2O5S2晶体是迄今载流子迁移率最高的透明导体材料 (240 cm2·V-1·s-1)；Cu 自掺杂的 CuAlS2 的室温下块体导电率高达 250 S·cm-1，可以与商用 ITO 相媲美；分别采用 CSA 法和 PLD 法制备得到性能优异的 CuAlS2薄膜，在可见光范围内的透过率均高达70%，特别是用 CSA 法制得的 CuAl0.9Zn0.1S2 薄膜导电率高达 61.7 S·cm-1，大大优于许多已报导的p 型透明导体薄膜；采用非真空液相法制备的α-BaCu2S2薄膜，其室温电导率高达 33.6 S·cm-1，接近射频磁控溅射法所制备薄膜的2倍；利用原位液相沉积方法制备的CuS薄膜，导电率高达2.03×103 S·cm-1，方块电阻 154 Ω/sq，薄膜厚度为 560 nm 时透光率达到 94%，此p型透明导电薄膜接近n型透明导电薄膜水平。

• 高性能增透纳米结构薄膜 (Nano-structured Broadband Antireflective Films) 

将太阳辐射能转换为电能的光伏电池产业是太阳能利用的重要组成部分。但发电成本高和光电转换效率低是目前制约太阳能电池大规模应用的最大瓶颈。由于太阳能电池透明封装材料对太阳光存在着不同程序的反射和吸收，造成7-8%的能量损失，而无法充分利用太阳能。如果在太阳能电池透明封装材料表面制备一定的减反增透结构或是涂层，可以使太阳光的透光率从92%左右提高到96%以上，从而提高太阳能电池的实际转换效率0.3-0.5%。因而在现有电池片组件的基础上，通过提高封装材料(玻璃、PET塑料等)的透光率是目前提高太阳能电池组件转换效率的最有效方法之一。

高性能的减反增透膜的关键在于设计出具有折射率渐变的特殊纳米复合结构或多尺度微观结构，通过各种先进纳米制备技术，实现封装材料的高透过率。目前正进行的课题包括：单层和多层纳米多孔低折射率减反射涂层，折射率梯度柱状阵列结构以及梯度薄膜，基底材料表面通过修饰或刻蚀形成亚波长表面微起伏的周期性结构，不同折射率的多尺度微观复合的结构。

本课题获得国家科技部973项目、中国科学院重大创新工程课题的支持。已经研制和开发出低成本的纳米结构可控、折射率连续可调、宽光谱减反增透的纳米涂层；实现玻璃基底镀制涂层在400-800 nm波段的整体透射率平均提高6%，可达97.5%以上。重点开发该工艺在太阳能电池方向的应用，并对薄膜的工业化进行探索。开展增透纳米结构薄膜的研究，无论在新材料的合成、能源技术等方面，还是在军事的尖端技术发展方面均具有重要的科学技术价值。

3、新型材料设计与制备

• 新型光电转换材料设计与制备 (Novel Photovoltaic Materials) 

目前太阳能电池的推广应用还需克服光电转换效率过低和成本过高。材料的自主创新引领太阳能电池的发展，要充分认识光电材料基础研究是太阳能电池前沿技术自主创新的一个源头。如何提高太阳能光伏电池的光电转换效率，归根到底还得立足材料的基础研究。为了进一步提高太阳能电池的效率，还需要发现新的材料，提出新的构思、设计新的结构。设计和制备高性能的新类型和新结构材料是提高光电材料的转换效率和降低成本的关键。光电转换材料的性能效率取决于光吸收、光生电子和空穴对的分离和载流子的迁移等。基于太阳能利用的先进纳米光电转换材料的研究主要是在新型光电转换材料、高性能光电转换膜材料和特殊纳米结构材料的基础研究。

新型高性能的光电转换等能源转换材料是能量转换器件的核心和原创动力，然而这些多功能材料涉及互为制约的二个甚至多个物理量的耦合，宏观性能涉及到多功能并存及其协同调控。传统上采用两相共混与多层薄膜复合等方法来解决此问题，纳米结构复合也成为近年来的热点，但这类复合材料的应用一直受到热力学相容性和微结构不稳定性的困扰。基于化学键考虑，我们提出结构功能区的概念，并在此基础上有意识地设计与探索出材料晶体结构中多个自然共存的不同键型的结构单元，协同互为制约的多种物理量（比如高导电-低导热、高透明-高导电、p/n通道共存），已成功应用于p型透明导体、光电转换材料、热电材料等。这些材料通常具有很好的热力学和动力学稳定性。

本课题获得国家自然科学基金委多项、国家科技部973项目、中国科学院百人计划、重大创新工程课题的支持。材料晶体结构中共存的不同键型结构单元（结构功能区）可以用于协同调控互为制约的多种物理量而实现材料多功能化，我们开展了新型p型透明导体、光电转换材料和热电材料等的设计，研制出新型p型透明导电体CuAlS2等（性能为文献最优）、非铟能源转换材料Cu2ZnSnS4（光电转换效率为3%、热电优值ZT为1.0@900K）。在Adv. Mater. (2009, IF: 8.19)、APL (4篇) 等期刊上共发表论文29篇，申请发明专利10余项（授权3项）、国际专利2项。

• 纳米结构光电氧化物 (Nanostructured Photovoltaic Metal-Oxides) 

半导体氧化物材料由于独特的物理化学性质和足够的稳定性而受到广泛的关注，它们是解决未来能源和环境问题的物质基础，特别是TiO2、ZnO和Nb2O5等简单而稳定的半导体材料在太阳能利用方面显示出优异的性能。然而，传统的制备方法得到的材料性能往往难以满足器件日益增长的要求，纳米技术的发展为我们提供了改进光电氧化物性能的途径。纳米技术之所以重要是因为材料在纳米尺寸显著表现出许多新奇的特性。具有纳米结构的光电氧化物材料具有更多优异的性能而可以满足在众多领域的应用要求。我们以提高太阳能利用效率为目的，根据不同光伏器件的原理，从微结构调控和成分优化两个方面出发，设计并合成了多种高性能的具有纳米结构的光电氧化物材料体系，研究成果发表在Adv. Funct. Mater. 和Adv. Mater. 等国际知名期刊上。

TiO2和ZnO是目前研究最广泛也是最具应用前景的光电氧化物。我们设计并合成出了可用于光伏电池的性能优异的纳米光电材料。采用特殊的液相工艺合成了高热稳定性的锐钛矿相TiO2纳米晶，并实现以水为溶剂的金属离子（Nb、Ta、Mo、W等）掺杂，通过成分调控来提升TiO2的光电性能；采用智能模板法合成了TiO2空心/实心球，通过优化组成和微结构来提高太阳能的利用效率；采用固相还原-氧化反应合成了多种具有特殊形貌的ZnO材料；此外，发展了一种新方法制备了Ta2O5纳米线和Nb2O5纳米花材料。

• 新型光催化材料 (Novel Photocatalytic Materials) 

植物的光合作用是地球生态系统最重要的化学反应之一。模仿光合作用原理，储存太阳能，开发高效的太阳光响应型光催化剂，迫在眉睫。开发新型光催化材料、材料纳米化与形貌调控，实现污染物的快速净化，以及光解水和光抗菌等，最终实现材料的器件化，节能减排，改善环境。

(1) 光电转换材料的堆积因子模型

我们提出了衡量结构空旷度的堆积因子模型，可用于系统研究并设计光催化氧化物结构中诱导载流子迁移的内场。这个概念的物理基础在于低弹性刚量材料容易产生结构形变并诱导内场，利于光生电子－空穴对更有效的分离和迁移。该模型为70组体系150个光电转换氧化物材料所验证，得到许多国际期刊肯定的评价，并应用于光致变色和电致变色等领域。

(2) 复合与新型光催化材料

提出了光催化材料的复合半导体设计模型，理想的复合半导体需满足如下四个条件：能带匹配；电子受体拥有优异的电子导电能力；空穴受体拥有优异的空穴导电能力；两相颗粒之间存在化学结合界面，作为载流子转移的空间通道。并成功设计出Bi2O3/BaTiO3，SnO2/SrNb2O6，In2S3/TiO2，SnS2/TiO2等高效的复合半导体光催化材料(J. Phys. Chem. C 2007; Acta Mater., 2008; )。我们发现了30余种含[Bi2O2]层状新型光电转换材料(J. Mater. Chem., 2007; Phys. Chem. Chem. Phys. 2009)，其中BiOCl载流子迁移能力和光催化性能优于纳米TiO2(P25)的研究结果(Appl. Catal. B,影响因子4.9)，至今的SCI引用率高达40次，引起国际同行广泛关注。我们还采用温和的液相合成途径，制备出Bi2WO6、H4Nb2O7等形貌调控的纳米光催化材料 (J. Phys. Chem. B 2006; J. Mater. Chem., 2010)。

• 高质量石墨烯制备与光电应用 (Preparation of High Quality Graphene and Opto-electronics Application) 

石墨烯(Graphene)是物理、化学和材料学领域一颗冉冉升起的新星。石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构，石墨烯表现出独特的电子输运、光学耦合、电磁学、热学和力学等新奇的性质。例如，石墨烯的禁带宽度和有效质量为零，其电子和空穴的运动方式与相对论性粒子相同。另外，石墨烯拥有已知材料中最高的迁移率，为传统半导体硅材料的数十至上百倍，且其迁移率基本与温度无关。石墨烯有望在高性能液晶显示材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。

石墨烯独特的结构和性能引起了研究人员的高度关注，对其基础理论、大规模制备及相关领域进行了广泛的探索，这些已成为当今国际上的研究热点。但目前还有一些关键性问题需要解决，如石墨烯导电机理，低成本、大规模高质量石墨烯的制备，石墨烯大小、边缘和形状的精确控制以及石墨烯的应用等。我们的研究重点集中在：

(1) 石墨烯的制备。大规模制备高质量的石墨烯是所有应用的基础。探索新型的化学合成和化学气相沉积（CVD）等Bottom-up的方法及新型高效的液相剥离石墨等Top-down的方法制备高质量石墨烯；

(2) 石墨烯的化学修饰。将石墨烯进行化学改性、掺杂、表面官能化以及合成石墨烯的衍生物, 发展出石墨烯及其相关材料, 来实现更多的功能和应用；

(3) 石墨烯的光电应用。将石墨烯制作为电极，探索其在太阳能电池等光电领域中的应用；将石墨烯与半导体材料复合，提高半导体材料的光电性能。

本课题获得中国科学院知识创新工程重要方向项目的支持，采用新型的化学法合成Freestanding的石墨烯，其层数介于1-5，该法合成效率高，可以实现克量级制备；制备出单层或多层透明导电薄膜，通过硼掺杂能够进一步提高石墨烯的导电性及其功函数；将硼掺杂石墨烯作为背电极，能与CdTe形成良好的欧姆接触，增强CdTe电池载流子收集能力，使电池效率提高；将石墨烯与半导体材料复合，借助石墨烯载流子高迁移率，减少半导体材料光生载流子复合，能够明显提高其光催化性能。

• 二氧化钛

二氧化钛，作为重要的新能源和环境保护材料，在光催化、太阳能发电、太阳能集热等方面被广泛应用。然而，二氧化钛的太阳能利用面临巨大的挑战，主要原因在于光吸收范围窄、电子-空穴对的分离效率低。二氧化钛只能吸收太阳光谱中~5%的紫外光，而无法利用可见光和近红外光的能量；本征电导率只有~10-10 S/cm，不利于光生电子-空穴对的分离和传输。这些问题严重影响了二氧化钛在能源与环境领域的广泛应用，无法充分利用太阳能。  

本课题组原创地发展出多种新型制备方法（氢等离子法、铝还原法、二步非金属掺杂法），大幅提高了太阳光谱中可见光和近红外光的吸收，效果明显。这些最新发现的黑色二氧化钛纳米晶，不同于高温氢气还原的黑色氧化钛，为一种核壳结构，核区仍为结晶的二氧化钛，外壳为无定型的结构，其中无序的外壳是使白色二氧化钛变成黑色的功能区域，无序的外壳包含氧空位或非金属X掺杂（X=H、N、S、I）。该结构可导致对太阳光的吸收高达85%，远优于文献报道（30%）。其良好的太阳能宽谱吸收、化学物理稳定性，以及改善的载流子浓度和电子迁移性能，可以满足高效太阳能的要求。其中，氮掺杂的纳米黑色二氧化钛，太阳光催化分解水，产氢率达到15 mmol h-1 g-1，处于报道最优异的可见光催化剂之列；对有机污染物的降解速率是商用纳米二氧化钛（P25）的四倍。黑色二氧化钛纳米管阵列用作光化学电池（PEC）电极，光能向氢化学能转换效率达到1.67%，为二氧化钛基PEC转换效率的最优值。  

研究成果，Chemistry Views以“Titania: Black is the New White”为题做了新闻专题报道，被认为在新能源（太阳能发电、光催化制氢）和环境（污染物降解、抗菌消毒）领域的应用前景广阔。国际公司与大学已经向我们购买小批量样品，用于环境保护应用。部分研究结果发表在，J. Am. Chem. Soc. (2013), Adv. Funct. Mater. (2013), Energy Environ. Sci. (2013, 2014), Chem. Euro. J. (2013)等期刊，已申请国内国际发明专利5项。

二、先进能源材料

• 新型铁基超导材料 (Novel Fe-based Superconductor Materials)  

高温超导体具有巨大应用潜力和发展前景。2008年2月底，日本东京工业大学的H. Hosono研究组在JACS杂志上首次报导了对LaFeAs(O1-xFx)材料的研究，并发现温度在26K时该材料表现超导电性(JACS,130, 3296(2008))。自此铁基超导材料作为新体系获得了广泛关注，目前研究主要集中在FeSe(11), LiFeAs(111), BaFe2As2(122),LaFeAsO(1111)以及Sr2VO3FeAs(21311)等体系。全球物理学界对铁基超导体的研究已全面展开，研究热点已经从单纯的新材料探索发展为新材料探索和物性、机理研究并重。

本课题组早在2008年6月在掺Co或Na的FeSe层状结构中首先报导了超导现象(EPL,86, 37008(2009)。最近利用低温快速烧结方法(JACS,132, 3260(2010))制备出Tc达到57.2K的铁基超导材料，高于高温高压方法合成样品的55K；上临界场最大可到390T，高于常规固相合成样品的300T。该工作很快被Nature Asia Pacific选为研究亮点文章，并有专门的文章“Iron-based superconductors: Keep it cool”对其进行评论。

在中科院重要方向性新型铁基超导材料项目的支持，目前本课题围绕LnFeAsO型铁基超导材料合成条件的研究，不同离子掺杂，微结构对超导材料晶体结构和性能的影响，超导材料和薄膜制备和应用探索，新型铁基超导材料设计制备和物理性质研究。 

• 锂电池电极材料和固体电解质 (Lithium Battery Electrode Materials & Solid-State Electrolytes) 

由于锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、质量轻、自放电小、无记忆效应和对环境友好等优点，已迅速成为移动通讯、笔记本电脑和照相机等便携式电子产品的首选电源，并被逐步开发为电动车、国防装备等的电源。另外锂离子电池与太阳能电池相结合的能量转换与储存器件研究具有良好的应用前景。传统锂离子电池采用的液态电解质容易产生泄漏、腐蚀、燃爆等安全隐患，而锂离子固体电解质可完全解决这些问题，全固态是锂离子电池必由之路。调研显示，2014年汽车用锂电市场规模将高达248亿美元，因此锂离子电池电极材料以及锂离子电池固态化现已成为新能源领域中研究与开发的热点。

课题组在此方向上通过材料微结构设计、合成工艺调节，开发出具有高比容量、高倍率充放、高振实密度的适合动力电池应用的锂离子正极材料；从新材料晶体结构设计、纳米晶复合模型为切入点进行全固态锂离子电池中关键固体电解质材料的研究。已申请专利10余项，其中6项获得中国专利授权。

• 新型LED用荧光材料 (Novel Phosphors for Light Emitting Diodes) 

荧光材料是指能将紫外光或者红外光转换成可见光的一类重要的功能材料和能源材料，可广泛应用于发光二极管、等离子体显示器、荧光探测等领域。其中，LED是利用PN结中电子空穴的复合释放特定波长的光子，再激发荧光材料，产生各种颜色的光。与传统白炽灯相比，LED具有少耗能、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等优点。因此，LED发光被誉为“21世纪绿色光源”。在LED内部，除过LED芯片，另外一个重要组成部分就是荧光材料。目前所使用的荧光材料普遍存在显色性差、发光效率低、稳定性差、光衰大等问题。因此，开发高效稳定的荧光材料已成为一项迫在眉睫的工作。

我们的研究主要集中在新型荧光材料的制备、性能表征以及薄膜化。寻找基质材料，制备高发光强度、高转换效率的荧光材料；对基质材料不同位置进行掺杂，研究不同格点晶体环境对发光性能的影响；利用磁控溅射技术对荧光材料进行薄膜化的探索研究。目前，我们已经成功制备出掺Bi3+、Mn2+、Eu3+等一批性能优异的锑酸盐、铌酸盐、氧硫化物荧光材料。我们将继续努力为社会增添一份绚丽的色彩。

（本文整理自中国科学院上海硅酸盐研究所http://www.sic.cas.cn/）

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