近日，国际顶尖学术期刊Nature Nanotechnology在线发表了上海交通大学材料学院张荻团队在超级电容器储能的最新研究成果。研究团队启迪于自然界中的纳米超流现象，通过材料基元序构化的尺寸调控策略，人工设计了“窄却快”的致密量子片薄膜，实现了超快离子输运和高电容性能。通讯作者为顾佳俊，刘庆雷，张荻和加州大学洛杉矶分校的Y. Morris Wang教授。论文第一作者是上海交大材料学院博士陈文书，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室为第一完成单位。

Nature Nanotechnology发文

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-021-01020-0

      介质传输的多孔膜在能源、分离、催化等领域有着广泛应用，但传输效率往往随着孔径尺寸减小而快速降低（哈根-泊肃叶定律）。如何实现具有超快传输效应的致密膜材料是长期挑战。反观自然，生物系统中普遍存在着能快速地传输离子/分子的纳米通道，其传输效率甚至是微米孔道的几个数量级，在物质与能量循环、光电信号反应/传递等生命过程中发挥着关键作用。这种新奇现象与传统的物质传输理论相悖，是一种具有“量子限域传输”效应的“纳米超流体”现象，最近引起了材料、物理、化学等学科领域的极大兴趣。

      启迪于自然，研究团队以材料基元重构的仿生策略，通过精准调控二维材料基元尺寸和空间序构特征距离，实现了二维离子通道拓扑网络结构的致密薄膜，作为电极展现出超高电容性能。经测试，厚度14 μm的致密电极在 2,000 mV s-1扫速下不仅能提供满足工业需求高的面电容（0.63 F cm-2），而且能提供比现有电极高一个数量级的体积电容（437 F cm-3）。加州大学洛杉矶分校的Y. Morris Wang教授团队和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的T. Anh Pham教授团队利用密度泛函理论和从头算分子动力学证明了水合纳米孔道中的离子限域传输增强效应，为实验结果提供了强有力的理论支撑。研究工作得到了国家自然科学基金（52072241, 52071213, 51772187）、上海市科委（18JC1410500）等的大力支持。

电极薄膜微结构表征

      课题组长期从事生物构型化新材料的研究，通过材料基元的重构策略，相继发展了仿生层状结构的致密化结构和功能复合材料，为破解强韧性、介质输运等领域难题提供新思路。