Chapter 6 Functional materials
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教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
Functional materials ： those materials with special functions derived from their intrinsic properties(in our book)
热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料。
教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
Consumer application of thermoelectric materials
BEER COOLER
FRIDGE
零维
指在空间三维方向 均为纳米尺度的颗粒、原子团 簇等
一维
指在空间有维处于纳米尺 度， 如纳米丝、纳米棒、纳米 管等
二维
指在空间中有一维 在纳米尺度， 如超薄膜、多层膜等
Chapter10 Nanomaterials
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A lithium-ion battery (sometimes Li-ion battery or LIB) is a member of a family of rechargeable battery types in which lithium ions move from the negative electrode to the positive electrode during discharge and back when charging.
New energy
教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
Definition of fuel cells
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Section 6.3 Environmentally-friendly materials
Definition 定义 Functional materials ：with excellent electric,
magnetic, thermal, sonic, mechanical, chemical and biochemical properties, can be transferred from each other and used as nonstructural materials.
优点 缺点
锂离子电池 镉-镍蓄电池 氢-镍蓄电池
240~400
130~150
150~230
100~200
3.6
4.2~2.5
高比能量 高电压 无公害
需要保护回路 成本高
30~60
1.2
1.4~1.0
高功率 快速充电
低成本 记忆效应
镉污染
75~130
1.2
1.4~1.0
高比能量 高功率 无公害
自放电大 成本高
A solar cell, or photovoltaic cell, is an electrical device that converts the energy of light directly into electricity by the photovoltaic effect.
太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池，是一种 将太阳光转成电能的装置。
“Nano” – derived from an ancient Greek word “Nanos” meaning DWARF.
Nanomaterials——materials having at least one spatial dimension in the size range 1–100 nm.
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Section 6.1 New Energy Materials
6.1.1 Fuel Cells Materials 6.1.2 Lithium-ion Batteries Materials 6.1.3 Solar Cells Materials 6.1.4 Hydrogen Storage Materials 6.1.5 Thermoelectric Materials
Definition of hydrogen storage materials
储氢材料是在通常条件下能可逆的大量吸收和放出氢 气的特种金属材料。
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不同储存介质条件下的贮氢量
储存介质
6.1 New Energy Materials 6.2 Nanomaterials 6.3 Environmentally-friendly Materials（Ecomaterials） 6.4 Photoelectron Materials 6.5 Biomedicine Materials 6.6 Smart Materials
human civilization
material basis
教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
Three problems
population explosion
resource shortage
environmental degradation
Application of solar cells
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Application
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《材料概论》
Introduction to Materials
Chapter 6 Functional Materials
School of Materials Science and Technology 武汉理工大学
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special functions: (For example) ferroelectricity, piezoelectricity, magnetism
and energy storage functions.
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纳米材料——微观结构至少在一维方向上受纳米尺度 （1nm~100nm）调制的各种固体超细材料，或由它们 作为基本单元构成的材料。
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Type of nanomaterials
按照维数划分
Definition of thermoelectric materials
Thermoelectric materபைடு நூலகம்als show the thermoelectric effect in a strong or convenient form. The thermoelectric effect refers to phenomena by which either a temperature difference creates an electric potential or an electric potential creates a temperature difference.
燃料电池是一种主要透过氧或其他氧化剂进行氧化还 原反应，把燃料中的化学能转换成电能的电池。
而最常见的燃料为氢，一些碳氢化合物例如天然气、 醇、和甲烷等有时亦会作燃料使用。
Why fuel cell?
教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
100 100 (0.80 *a)
100 (~5.0 *b) 7.60 1.37 1.85 3.60 3.81
0.00008 0.012
0.062 0.098 0.092 0.084 0.083 0.156
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锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正 极和负极之间移动来工作。
Why lithium-ion batteries?
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W体 / W·h·L-1 W’质 / W·h·kg-1 平均工作电压/ V 使用电压范围/ V
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Application of lithium-ion batteries
Definition of solar cells
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material industry
high consumption
large waste emission
材料产业既是人类文明进步的物质基础，又是造成资源、能 源过度消耗，生态环境恶化的主要责任者之一！
A fuel cell is a device that converts the chemical energy from a fuel into electricity through a chemical reaction with oxygen or another oxidizing agent.
存在状态
氢相对密度 贮氢量(wt.%) 贮氢量(g/ml)
标准态H2 高压 H2
气态(1 atm) 气态(150 atm)
液态 H2 MgH2 LaNi5H6 TiFeH1.95 Mg2NiH4 VH2
液态 固态 固态 固态 固态 固态
1 150
778 1222 1148 1056 1037 1944
CHOCOLATE COOLER
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Section 6.2 Nanomaterials
What does Nano mean?
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Characteristics of nanomaterials
纳米效应 小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观 量子隧道效应
纳米材料的特殊性质 当粒子的尺寸减小到纳米量级，由于纳米效应 而导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性
Chapter10 Nanomaterials
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Application
Application of fuel cells
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Definition of lithium-ion batteries
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Functional materials ： those materials with special functions derived from their intrinsic properties(in our book)
热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料。
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Consumer application of thermoelectric materials
BEER COOLER
FRIDGE
零维
指在空间三维方向 均为纳米尺度的颗粒、原子团 簇等
一维
指在空间有维处于纳米尺 度， 如纳米丝、纳米棒、纳米 管等
二维
指在空间中有一维 在纳米尺度， 如超薄膜、多层膜等
Chapter10 Nanomaterials
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A lithium-ion battery (sometimes Li-ion battery or LIB) is a member of a family of rechargeable battery types in which lithium ions move from the negative electrode to the positive electrode during discharge and back when charging.
New energy
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Definition of fuel cells
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Section 6.3 Environmentally-friendly materials
Definition 定义 Functional materials ：with excellent electric,
magnetic, thermal, sonic, mechanical, chemical and biochemical properties, can be transferred from each other and used as nonstructural materials.
优点 缺点
锂离子电池 镉-镍蓄电池 氢-镍蓄电池
240~400
130~150
150~230
100~200
3.6
4.2~2.5
高比能量 高电压 无公害
需要保护回路 成本高
30~60
1.2
1.4~1.0
高功率 快速充电
低成本 记忆效应
镉污染
75~130
1.2
1.4~1.0
高比能量 高功率 无公害
自放电大 成本高
A solar cell, or photovoltaic cell, is an electrical device that converts the energy of light directly into electricity by the photovoltaic effect.
太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池，是一种 将太阳光转成电能的装置。
“Nano” – derived from an ancient Greek word “Nanos” meaning DWARF.
Nanomaterials——materials having at least one spatial dimension in the size range 1–100 nm.
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Section 6.1 New Energy Materials
6.1.1 Fuel Cells Materials 6.1.2 Lithium-ion Batteries Materials 6.1.3 Solar Cells Materials 6.1.4 Hydrogen Storage Materials 6.1.5 Thermoelectric Materials
Definition of hydrogen storage materials
储氢材料是在通常条件下能可逆的大量吸收和放出氢 气的特种金属材料。
教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
不同储存介质条件下的贮氢量
储存介质
6.1 New Energy Materials 6.2 Nanomaterials 6.3 Environmentally-friendly Materials（Ecomaterials） 6.4 Photoelectron Materials 6.5 Biomedicine Materials 6.6 Smart Materials
human civilization
material basis
教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
Three problems
population explosion
resource shortage
environmental degradation
Application of solar cells
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Application
教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
《材料概论》
Introduction to Materials
Chapter 6 Functional Materials
School of Materials Science and Technology 武汉理工大学
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special functions: (For example) ferroelectricity, piezoelectricity, magnetism
and energy storage functions.
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纳米材料——微观结构至少在一维方向上受纳米尺度 （1nm~100nm）调制的各种固体超细材料，或由它们 作为基本单元构成的材料。
教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
Type of nanomaterials
按照维数划分
Definition of thermoelectric materials
Thermoelectric materபைடு நூலகம்als show the thermoelectric effect in a strong or convenient form. The thermoelectric effect refers to phenomena by which either a temperature difference creates an electric potential or an electric potential creates a temperature difference.
燃料电池是一种主要透过氧或其他氧化剂进行氧化还 原反应，把燃料中的化学能转换成电能的电池。
而最常见的燃料为氢，一些碳氢化合物例如天然气、 醇、和甲烷等有时亦会作燃料使用。
Why fuel cell?
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100 100 (0.80 *a)
100 (~5.0 *b) 7.60 1.37 1.85 3.60 3.81
0.00008 0.012
0.062 0.098 0.092 0.084 0.083 0.156
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锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正 极和负极之间移动来工作。
Why lithium-ion batteries?
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W体 / W·h·L-1 W’质 / W·h·kg-1 平均工作电压/ V 使用电压范围/ V
教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
Application of lithium-ion batteries
Definition of solar cells
教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
material industry
high consumption
large waste emission
材料产业既是人类文明进步的物质基础，又是造成资源、能 源过度消耗，生态环境恶化的主要责任者之一！
A fuel cell is a device that converts the chemical energy from a fuel into electricity through a chemical reaction with oxygen or another oxidizing agent.
存在状态
氢相对密度 贮氢量(wt.%) 贮氢量(g/ml)
标准态H2 高压 H2
气态(1 atm) 气态(150 atm)
液态 H2 MgH2 LaNi5H6 TiFeH1.95 Mg2NiH4 VH2
液态 固态 固态 固态 固态 固态
1 150
778 1222 1148 1056 1037 1944
CHOCOLATE COOLER
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Section 6.2 Nanomaterials
What does Nano mean?
教育I部nTt科HroO学dMuS技cO术tNio研nS C究toI E重MN T大aItF项eIrCi目al申s 请
Characteristics of nanomaterials
纳米效应 小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观 量子隧道效应
纳米材料的特殊性质 当粒子的尺寸减小到纳米量级，由于纳米效应 而导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性
Chapter10 Nanomaterials
22
Application
Application of fuel cells
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Definition of lithium-ion batteries