能源化学学科方向介绍

随着全球经济快速发展、化石燃料日渐枯竭、环境污染日益严重,人们对高效、清洁、新型可再生能源,以及相关的能源转换与存储新技术的需求日益增长。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中明确指出,要加快发展新材料、新能源等战略性新兴产业,并将促进新材料产业突破发展和推动新能源与节能环保产业快速壮大作为八大发展任务的两个方面。与此同时,广东省与广州市政府在其《国民经济和社会发展“十三五”规划》以及“十四五”规划前期研究中都把新能源作为重点发展领域。

能源化学是在世界能源需求日益突出的背景下正处于初步发展阶段的新兴交叉学科,是破解能源存储与转换领域“卡脖子问题”的关键与核心。能源化学是在融合物理化学、材料化学和化学工程等学科知识的基础上提升形成,兼具理学、工学相融合的鲜明特色,是利用化学的理论和方法来指导能源高效利用与新能源开发的关键学科。

依托于“高能高安全性动力锂离子电池电解液及隔膜材料与制备技术国家地方联合工程研究中心”、“电化学储能材料与技术教育部工程研究中心”、“广东省高能动力与储能电池有机高分子功能材料工程实验室”、“能量转化与储能材料广东省工程技术研究中心”、“广东省动力与储能电池材料工程技术研究中心”、“广州市能源转化与储能材料重点实验室”以及“广东省新能源材料与器件专业实验教学示范中心”等高端科研与教学平台,我校能源化学学科立足粤港澳大湾区,面向华南地区战略性新兴产业(新能源、新材料、新能源汽车、节能环保)的重大需求和国际前沿热点,围绕能源化学关键科学问题,以高性能能源器件关键材料为主要研究对象开展基础与应用基础研究,为人类社会的可持续发展发挥重要作用。学科平台拥有从材料模拟设计的计算机群,到材料合成、分析表征及应用性能评价的完整先进设备,总价值超过1亿元,为科研创新提供了重要的保障。经过二十余年的不断努力,目前我校能源化学学科已初步建设成为国内先进、国际上有一定影响力的教学与科研中心,在聚集和培育人才、原创性技术开发、社会服务及科技成果转化等方面做出了许多突出贡献。

本学科方向涉及的主要研究领域如下:

一、  能源电化学

以各类储能器件如锂/钠/钾离子电池、锂/钠-硫/硒电池、超级电容器、碱金属电池、铅酸电池,以及新型能源燃料电池等器件中的关键材料(包括正负极材料、电解液、隔膜等)为研究对象,开展电化学储能体系中关键科学问题的研究,实现多学科交叉融合,开发能够解决动力与储能器件发展瓶颈问题的创新技术,以满足便携式电子器件、新能源汽车和智能电网等领域对先进电化学储能的需求。目前,在电化学储能材料与器件的基础与应用基础研究方面取得了一系列国际上颇具影响力的成果。参与编写电池领域国际专著3部,在Nat. Energy, Nat.Commun., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等国际著名学术期刊上发表论文500余篇,拥有发明专利200余件,主持国家、省部、市厅级项目100余项,获省部级以上奖励20余项。前期成果“锂离子电池功能电解质的研究与产业化应用”获广东省科学技术奖(技术进步奖)一等奖,成果“锂离子电池凝胶聚合物隔膜及功能电解质的设计与制备技术”获广东省科学技术奖(发明奖)一等奖。同时,与国内能源材料及电池生产龙头企业如广州天赐高新材料股份有限公司、广州鹏辉能源科技股份有限公司等高新技术企业建立了长期的产学研合作关系,形成了系列具有自主知识产权的功能电解液、隔膜涂层等新产品,产生了显著的经济和社会效益。

二、  能源催化化学

主要研究内容涵盖电解水中的析氢 (HER)、析氧反应 (OER),燃料电池中重要的半反应氧还原反应 (ORR),以及电催化二氧化碳还原反应等。研究集中在设计并制备出对特定反应具有高活性、高选择性和长寿命的电催化剂,同时涉及材料结构设计策略与构效关系分析,以及功能性催化剂的设计与应用,为电催化化学提供新催化剂、新反应途径、新思路。近年来,承担了国家、省部、市厅级以及企业横向课题20余项,在Appl. Cat. B-Environ., ACS nano, Chem. Sci., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., J. Power Sources等国际知名学术期刊上发表SCI论文100多篇,拥有发明专利30余件。

三、  能源气体的存储与分离

氢气、甲烷、乙烯等能源气体是当今社会一种重要的绿色能源载体或工业原料,在社会经济发展中具有举足轻重的作用,然而这类气体的安全存储、高效绿色分离提纯却是一个挑战性的社会经济问题。本研究方向主要涉及新型高效储气材料与高效气体分离材料的设计、制备及新技术的研究,如金属-有机框架材料(MOFs)具有结构规整、比表面积高、结构和功能可修饰的特点,在能源气体存储、分离中显现出优异的性能,成为一种潜在的能源气体存储与分离材料。各类多孔材料(如MOFs、COFs、多孔硅、气凝胶等)的合理设计和精准合成是实现其高效应用的关键。相关研究得到近20项国家、省部、市厅级以及企业横向项目的支持,在ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Commun., Inorg. Chem., Electrochimca Acta等国际知名学术期刊发表SCI论文60多篇,拥有发明专利20余件,获得省、市、厅级奖项3项。

四、  能源理论化学

本研究方向主要开展能源化学及其关键材料的理论基础研究,以及电化学储能、电催化、储气等体系的模拟,获得材料和体系的作用机理、性能衰减机理等,形成理论研究与应用开发相结合的鲜明特色,为下一代高效能源材料与体系的筛选提供有力的理论指导依据。同时,注重发展基础计算方法并提出新概念与新理论。能源理论化学依托于我校环境理论化学教育部重点实验室,有完善的计算模拟软硬件设施,为高通量筛选、大数据和计算信息学的融合发展提供了重要支持。相关研究得到20余项国家、省部、市厅级以及企业横向项目的资助,在Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., J. Phys. Chem. Lett., Electrochimica Acta等国际权威学术期刊上发表SCI论文100多篇,拥有发明专利20余件。


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