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二维多孔材料散热器的热分析及结构优化

电子机械工程 2018年第4期34卷 23-26页

作者：梁小林丁莉曹海琳深圳航天科技创新研究院先进材料研究所广东深圳518000

为了改善散热性能,文中对某家电产品中PCB板上的散热器进行了热分析及结构优化,在翅片散热器热分析的基础上,对2种二维多孔材料散热器进行了热分析,对比了3种散热器的散热性能。研究表明:在强迫对流散热条件下,与翅片散热器相比较,二维... 详细信息

为了改善散热性能,文中对某家电产品中PCB板上的散热器进行了热分析及结构优化,在翅片散热器热分析的基础上,对2种二维多孔材料散热器进行了热分析,对比了3种散热器的散热性能。研究表明:在强迫对流散热条件下,与翅片散热器相比较,二维多孔材料散热器的散热性能更好;六边形多孔材料散热器比矩形多孔材料散热器的散热性能要好,同时更有利于实现结构的轻量化要求,降低材料成本,提高产品利润。

关键词：散热器二维多孔材料六边形轻量化

基于tetraoxa[8]circulene类似单元的二维多孔材料的特性研究

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基于tetraoxa[8]circulene类似单元的二维多孔材料的特性研究

二维Cr酞菁多孔材料优异的催化一氧化碳氧化特性

中国化学会第29届学术年会

作者：喻佳兵孙强北京大学工学院材料科学与工程系北京大学应用物理与技术研究中心

通过第一性原理计算,我们预言了一类基于tetraoxa[8]circulene及其类似物的二维多孔材料的存在并且系统地研究了其热稳定性,力学,电学,光学和热电性能。通过动力学和热力学的研究发现,tetraoxa[8]circulene（TO8C）和tetraiminodi[8]cir... 详细信息

通过第一性原理计算,我们预言了一类基于tetraoxa[8]circulene及其类似物的二维多孔材料的存在并且系统地研究了其热稳定性,力学,电学,光学和热电性能。通过动力学和热力学的研究发现,tetraoxa[8]circulene（TO8C）和tetraiminodi[8]circulene（TI8C）纳米片是热稳定的,而tetrathio[8]circulene（TT8C）纳米片是不稳定的。由于它们的多孔性,导致TO8C和TI8C片的杨氏模量都比石墨烯更小。电子结构计算表明TO8C和TI8C纳米片都是直接带隙半导体,分别具有1.92 eV和1.83 eV的带隙。TO8C和TI8C纳米片不仅在可见光区域有强烈的吸收,而且具有很大的Seeback系数,因此是一种非常有前途的太阳能电池材料和热电材料。

关键词：二维多孔材料第一性原理 tetraoxacirculene

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二维Cr酞菁多孔材料优异的催化一氧化碳氧化特性

基于乙酸的二维多孔纳米材料的构筑及其电化学性能研究

中国化学会第29届学术年会

作者：李亚伟孙强北京大学工学院材料科学与工程系北京大学应用物理与技术研究中心

二维金属有机多孔材料因其合成手段的普适性、规整的几何结构,以及其在储氢、量子反常霍尔效应与自旋电子学器件领域的应用前景,在近年来成为研究的热点领域。,我们首次运用第一性原理计算研究了二维酞菁多孔材料催化一氧化碳低温氧化... 详细信息

二维金属有机多孔材料因其合成手段的普适性、规整的几何结构,以及其在储氢、量子反常霍尔效应与自旋电子学器件领域的应用前景,在近年来成为研究的热点领域。,我们首次运用第一性原理计算研究了二维酞菁多孔材料催化一氧化碳低温氧化的活性。我们发现二维Cr酞菁多孔材料由于其含有丰富且均匀分布的配位不饱和金属位点从而具有优越的催化活性。一氧化碳在其表面的催化氧化分为两步:LH机理和ER机理。相比于贵金属催化剂和石墨烯基催化剂,二维Cr酞菁多孔材料有如下优势:对CO导致的催化剂中毒和金属位点团聚具有良好的抗性;具有相近甚至更低的催化反应势垒;大规模工业生产的费用较低。

关键词：铬酞菁密度泛函理论二维多孔材料一氧化碳催化氧化

来源： cnki会议评论

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基于乙酸的二维多孔纳米材料的构筑及其电化学性能研究

作者：宋殿梅重庆大学

学位级别：硕士

随着能源危机和环境污染的加剧,新能源技术迫在眉睫。超级电容器,作为一种新型储能器件,以其寿命长、简洁高效、成本低等特点吸引了大众目光。决定主要性能指标的电极材料是超级电容器的关键。在已报道的电极材料中,二维纳米结构材料成... 详细信息

随着能源危机和环境污染的加剧,新能源技术迫在眉睫。超级电容器,作为一种新型储能器件,以其寿命长、简洁高效、成本低等特点吸引了大众目光。决定主要性能指标的电极材料是超级电容器的关键。在已报道的电极材料中,二维纳米结构材料成为当前的研究热点。钴酸盐是一类成本低且环境友好的电极材料,但存在导电性能差、局部不均匀分散、不稳定的接触面性能、电容发挥不充分等问题。解决问题的有效方法之一是用简单方法构筑多孔结构,并借助协调效应提升比电容。本文通过简单的一步水热法,通过控制反应条件,成功制备出了β-Ni(OH)和结晶石结构MCoO(M=Zn、Ni、Cu和Mg)的二维(2D)多孔薄片,并深入研究了所制备薄片的电化学性能。本论文的研究内容主要包括以下三方面:1.二维多孔β-Ni(OH)薄片的制备及电化学性能研究。以CHCOOH和Ni(NO)为原料,利用直接水热法大面积合成由三维纳米阵列作为基本单元组装2D多孔β-Ni(OH)纳米结构。通过控制反应条件(溶液浓度、加热温度和反应时间),从而控制薄片的微观形貌。由实验可知当温度为200°C时间为5 h时得到形貌最优产物。电化学性能测试表明:电流密度为1 A/g(1.02 mA/cm)时,电极材料赋予较高的比电容1747.5 F/g(1.78 A/cm)。另外,当电流密度1 A/g–10 A/g时(1.02 mA/cm–10.2 mA/cm)倍率为67.4%。在非对称装置中电压窗口为1.8 V;当功率密度为9000 W/kg,能量密度为23.45 Wh/kg;10000圈扫描后比电容的保持率为93.6%。2.二维多孔ZnCoO薄片的制备及电化学性能研究。本章报道了原料为CHCOOH、Zn(NO)和Co(NO),通过简单有效一步水热分解合成多孔薄片ZnCoO,并构建了高性能的非对称超级电容器。测试结果表明:当电流密度为2A/g时,ZnCoO的比电容为2690.86 F/g。此外,以ZnCoO薄片作为正极和活性炭(AC)作为负极,组装的非对称超级电容器(ZnCoO//AC)在功率密度为0.8KW/Kg,能量密度为33.98 Wh/Kg;当功率密度为8 KW/Kg,能量密度为9.78 Wh/Kg;当循环扫描10000圈后比电容仅损失6.7%,表明了所组装的ZnCoO//AC非对称电容器具有良好的循环性能。3.二维多孔MCoO(M=Ni、Cu和Mg)薄片的制备及其电化学性能研究。分别以CHCOOH和M(NO)(M=Ni、Cu和Mg)作为原料,采用上述水热法引入Co-M羧基化合物降低二价Co的热垒,成功合成2D多孔MCoO纳米片结构。电化学测试结果表明:在三电极系统中,MCoO薄片在电流密度为1 A/g时的比电容分别为2096.8、2543.4和1611.714 F/g;组装NiCoO//AC非对称超级电容器展现了较高的比电容109.18 F/g和能量密度43.82 Wh/kg(电流密度为1 A/g),NiCoO电极材料也具有较大的库伦效率。综上所述,本论文通过温和的一步水热法构筑新颖的二维多孔材料。在碱性水系KOH电解液中,设计的非对称超级电容器展现出优良的电化学性能且深入分析了材料结构对性能的影响,从而对理解储能过程开拓材料体系起到促进作用。

关键词：二维多孔材料钴酸盐氢氧化镍超级电容器能量转化与存储

Fe,N掺杂二维多孔碳双功能催化剂及锌-空气电池中的应用

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无机材料学报 2019年第1期34卷 103-108页

作者：马龙涛支春义香港城市大学材料科学与工程系香港999077

在石墨烯表面负载金属有机框架材料ZIF-8,同时在金属有机框架材料表面分散Fe-2,2-Bipy螯合物,通过高温煅烧分解制备了Fe, N掺杂多孔碳催化剂材料。采用SEM, XRD, XPS对制备的催化剂材料进行了形貌、结构以及成分分析。采用旋转圆盘电极... 详细信息

在石墨烯表面负载金属有机框架材料ZIF-8,同时在金属有机框架材料表面分散Fe-2,2-Bipy螯合物,通过高温煅烧分解制备了Fe, N掺杂多孔碳催化剂材料。采用SEM, XRD, XPS对制备的催化剂材料进行了形貌、结构以及成分分析。采用旋转圆盘电极,CV曲线,LSV曲线对Fe,N掺杂多孔碳催化剂材料的氧还原(ORR)以及析氧(OER)电催化性能进行了分析。并且将Fe, N掺杂多孔碳催化剂应用于锌-空气电池。结果表明,所制备的Fe, N掺杂多孔碳催化剂材料显示出均匀的二维结构形貌, Fe元素含量为1.32%。催化剂在0.1 mol/L KOH溶液中半波电位为0.83 V,在1 mol/L KOH溶液中, 10 mA/cm^2电流密度下过电势为420 mV。将催化剂应用于锌-空气电池,锌-空气电池功率密度达到245 mV/cm^2,并且表现出优异的循环稳定性。

关键词： Fe,N掺杂二维多孔材料双功能催化剂锌-空气电池

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超轻多孔材料及电子设备散热性能分析与设计

超轻多孔材料及电子设备散热性能分析与设计

作者：刘鹏大连理工大学

学位级别：硕士

二维多孔材料(又称蜂窝材料)作为一种新颖的多功能材料备受关注。通过改变二维多孔材料的内部结构形式，可以同时满足力学、热学、声学以及能量吸收等多功能需求。由于其存在一个易于流动的方向并具有较大的面密度，二维多孔材料在具有... 详细信息

二维多孔材料(又称蜂窝材料)作为一种新颖的多功能材料备受关注。通过改变二维多孔材料的内部结构形式，可以同时满足力学、热学、声学以及能量吸收等多功能需求。由于其存在一个易于流动的方向并具有较大的面密度，二维多孔材料在具有良好的比刚度和比强度的同时也具有良好的热性能，研究强迫对流下的散热性能对其多功能化设计具有重要意义。随着电子设备趋向集成化、小型化和功率密度的不断增加，散热问题成为制约其发展的主要瓶颈之一。合理的设计电子设备散热结构，提高其散热性能，从而降低关键元器件的温度，成为电子设备设计人员广泛关注的课题。本文采用数值计算的方法，对二维多孔材料和电子设备的热设计的相关问题进行了探讨，主要的研究内容如下：1．考虑二维多孔材料的多功能设计问题，提出了以需要满足的散热性能为约束，以满足需求的设计参数的可调范围(设计参数的允许变化范围)为设计目标的设计理念;针对给定几何空间上布置具有典型周期性微结构的二维多孔材料的问题，研究了微结构尺寸和多孔率对散热性能的影响，并对其原因进行了分析;通过优化微结构尺寸和多孔率使得材料的散热性能达到最优，对具有不同微结构形式的二维多孔材料可能达到的最优散热性能进行了对比;对各种微结构形式在特定散热性能要求下的设计空间进行了对比。研究的结果表明，与其它微结构形式相比，具有Hexagon微结构的二维多孔材料可以达到最大的散热率;同时在满足一定的散热性能的要求下，Hexagon的材料用量最省，具有更大的设计空间，更便于二维多孔材料的轻质多功能设计，而且这种轻质多功能性随着材料散热性能要求的提高更为明显。2．针对电子设备热设计中，器件的热功耗获取较为困难的现象，本文提出了一种基于实验测试得到的器件操作温度，利用反演技术来确定器件工作时热功耗值的方法，并建立了热功耗反演问题的优化模型。以某电子设备器件热功耗的获取为例，对反演过程中的实验测试、电子设备数值建模、流固耦合数值计算等问题进行了探讨。对所给算例的器件热功耗的反演实施充分表明了该方法的可行性。3．以某电子设备的热结构设计为例，探讨了系统级的强迫风冷散热问题。在内部结构一定的条件下，通过设计通风口和风扇的位置，优化设备内部流场，从而提高设备的散热性能。比较了两种不同风扇功率下设备的散热性能，讨论了风扇配置与设备散热效率之间的关系。结果表明，合理的通风口和风扇的布局可以显著的提高电子设备的散热性能;风扇数目的增加只有在对设备内部流场进行优化的条件下才能提高设备的散热性能;增大风扇功率可以提高电子设备的散热效果，但其散热效率并不一定理想。

关键词：超轻多孔材料二维多孔材料蜂窝材料电子设备热设计热功耗

二维多孔钴酸盐薄片的控制合成与超电容性能研究

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二维多孔钴酸盐薄片的控制合成与超电容性能研究

作者：朱纪奎重庆大学

学位级别：硕士

能源危机和环境污染促使了人们达成可持续发展的共识。超级电容器,作为一种介于常规电容器和二次电池之间的清洁高效储能装置,融合了高比电容、快充放电速率、长循环寿命和大功率密度等一系列优点于一身而备受关注。截止目前为止,相比... 详细信息

能源危机和环境污染促使了人们达成可持续发展的共识。超级电容器,作为一种介于常规电容器和二次电池之间的清洁高效储能装置,融合了高比电容、快充放电速率、长循环寿命和大功率密度等一系列优点于一身而备受关注。截止目前为止,相比于传统的化学电源,低能量密度是限制超级电容器发展的主要瓶颈。根据能量密度计算公式E(28)C((35)V),电极材料比电容(C)和工作电压窗口(ΔV)是决定超级电容器能量密度的主要指标。因此,比电容大、工作电压窗口宽以及价格低廉和环境友好的高性能电极材料的开发是解决超级电容器发展的根本。近年来,赝电容过渡金属氧化物电极材料因具有比电容大和能量密度高的特性而凸显出优于传统双电层碳材料的价值优势逐渐成为超级电容器电极材料的理想入选者。此外,二维纳米结构材料由于具有较大的比表面积、较多的离子传输通道、较高的电化学活性位点以及较短的离子传输距离,亦在高能量密度和高功率密度的超级电容器应用上备受研究者关注。本论文以高性能二维多孔钴酸盐薄片的控制合成与超电容性能研究为目标,设计合成了二维多孔CoO薄片、二维多孔ZnCoO薄片和单晶CrO–C复合纳米片。通过同步热分析仪(TGA–DTA)、X–射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、X–射线光电子能谱分析仪(XPS)、能量色散X–射线光谱仪(EDX)、比表面积测试仪(BET)、场发射扫描电子显微镜(FE–SEM)、场发射透射电子显微镜(TEM)和选区电子衍射(SAED)等技术手段分析了材料的晶型结构、元素组成以及微观形貌和尺寸等特性,并由循环伏安测试(CV)、恒电流充放电测试(GCD)、循环性能测试以及交流阻抗测试(EIS)等电化学表征考察了材料的超电容性能。本论文的研究内容主要包括以下三个方面:1.二维多孔CoO薄片的制备与超电容性能。(1)在实验方面:通过无模板、无表面活性剂、一步简单水热分解硝酸钴(Co(NO))和苯甲酸(CHCOOH,BA)混合溶液实现了层级多孔空腔蜂窝状结构的二维CoO薄片电极材料可控合成。产物的微观形貌可以通过调节水热反应时间进行调控。相比于200℃下水热反应6和24 h的产物,在200℃下水热反应12 h得到的产物,具有较高的比表面积(142.15 m·g)和更规整的微观结构。(2)在电化学性能测试方面:(1)三电极系统测试对比发现,在200℃下水热反应12 h得到的产物,具有面积比电容大(1.71 F·cm)、倍率性能高(66.1%)、循环性能好(93.7%)与电阻值小(0.3709Ω)的优点;(2)二电极系统研究表明,由200℃下水热反应12 h得到的CoO薄片作正极和AC作负极组装的非对称超级电容器装置,最大面积比电容值可达148.84 mF·cm;当功率密度为800 W·Kg时能量密度高达22.49 Wh·Kg;以及较高的循环稳定性(10000次充放电循环测试中仅有8.2%比电容损失)。2.二维多孔ZnCoO薄片的制备与超电容性能。(1)在实验方面:通过简单水热分解过渡金属硝酸盐(Zn(NO)和Co(NO))和苯甲酸(CHCOOH,BA)混合溶液实现了三维超薄纳米片阵列组装的二维多孔ZnCoO薄片电极材料可控合成。产物的微观形貌可以通过调节水热反应温度进行调控。相比于180和220℃下水热反应10 h的产物,在200℃下水热反应10 h得到的产物具有较高的比表面积(151.65 m·g)和较好的微观结构。(2)在电化学性能测试方面:(1)三电极系统测试对比发现,在200℃下水热反应10 h得到的产物,具有面积比电容大(3.07F·cm)、倍率性能高(61.237%)、循环性能好(96.3%)与电阻小值(0.4342Ω)的优点;(2)二电极系统研究表明,由200℃下水热反应10 h得到的ZnCoO薄片作正极和AC作负极组装的非对称超级电容器装置,最大面积比电容值可达183.54mF·cm;当功率密度为850 W·Kg时能量密度高达36.31 Wh·Kg;以及优异的循环稳定性(10000次充放电循环测试中仅有7.5%比电容损失)。3.单晶CrO–C复合纳米片的制备与超电容性能。(1)在实验方面:通过在氩气中热分解[CrO(CHCO)(HO)]NO·CHCOOH三核配合物实现了单晶CrO–C复合纳米片可控合成。产物的晶型结构和微观形貌可以通过调节热分解温度进行调控。相比于高温热分解产物,在400℃下热分解6 h得到的低温产物具有更高的复合含碳比(12.52%)。(2)在电化学性能测试方面:(1)三电极系统测试对比发现,在400、500、600和700℃下热分解6 h得到的产物在1 A·g电流密度下分别表现出823.11、781.65、720.72与696.73 F·g的高质量比电容,且400℃下热分解6 h得到的产物具有更出色的循环稳定性

关键词：二维多孔材料 Co3O4薄片 ZnCo2O4薄片 Cr2O3–C纳米片超级电容器