仿生纳米通道能量转换材料体系及器件

项目名称：仿生纳米通道能量转换材料体系及器件首席科学家：危岩清华大学

起止年限：2010.9至2015.9

依托部门：教育部

二、预期目标

总体目标

本项目的总体目标是通过仿生纳米通道能量转换体系的研究，探索生命体系高效利用能源的奥秘，建立仿生产能器件的整体设计思路，构建仿生能源结构的微观表征平台和技术手段。研制出几个基于仿生新原理、新概念的先进能源转换原型器件，使我国在仿生能源领域的研究进入国际先进行列。籍此发表至少200篇SCI论文，其中影响因子大于3的文章不少于100篇。培养一批高层次的研究人才，包括2-3名具有国际影响力的科学家，若干名国家杰出青年基金获得者,培养和造就一批高层次的研究人才，形成几个在相关领域中有国际影响的研究群体。形成几个在国内外有重要影响的能源材料和仿生材料与器件的研究基地。为可再生能源材料和技术领域的可持续发展及其成果转化提供新知识、新方法、新技术和新材料，形成具有自主知识产权的关键材料与新型器件，促进我国新能源产业未来的发展。

五年预期目标

1. 研究具有能量转换、传递与储存功能的生物体的结构及原理。设计和制备仿生功能分子与纳米结构单元，重点研究具有能量转换功能的新型分子与纳米结构的组成、尺寸、形貌和性能。

2. 开展仿生功能分子与功能纳米结构单元的组装研究；设计、构筑结构及在能量转换、传递和储存等功能上具有协同效应的多尺度、多维度结构的界面、通道（包括仿生选择性透过薄膜）及电极材料体系。

3. 模拟自然界设计、构筑出新原理、新概念的仿生能量转换体系及器件；重点研究基于生物体离子通道的光-化学能和光-电能量转换材料与器件（包括新型的质子光电转换器，能差纳流电池，酶通道反应器，纳米多级多尺度结构催化材料体系）和基于非对称膜的新型高效电池系统（如锂-铜电池）。

4. 全面开展仿生纳米通道能量转换材料体系中的能量转化与输运规律的实验、理论和器件研究；发展仿生纳米结构能量转换体系及器件的测试与表征新方法、新技术和搭建相关测试平台；选择典型的能量转换界面材料、通道（包括仿生选

择性透过薄膜）及电极材料体系进行多尺度效应、界面效应和多重弱相互作用协同效应研究，总结对仿生纳米通道能量转换材料应用有实际指导意义的规律，推动仿生纳米通道能量转换材料及器件的性能提高。

5.仿生纳米通道能量转换器件的集成，构筑光能-化学能-电能集成器件；在新能源器件及关键能量转换纳米材料规模化制备上有所突破；形成具有自主知识产权的关键材料与器件，为我国新能源产业未来发展提供新原理，新思路与新技术，做出具有显示度的重大成果。

三、研究方案

本项目针对我国未来能源产业发展具有重大影响的关键智能界面材料和智能膜材料的设计、制备与应用中的关键科学问题进行研究，从战略性、前瞻性、基础性的重大共性问题出发，发挥纳米、能源、材料、化学、物理和生物等多学科交叉的优势，对能量转换材料及器件领域的重要问题重点突破。利用微纳结构、多尺度效应、界面效应和协同效应，仿生原理、设计与构筑基于新原理、新概念、新结构的仿生能量转换材料，探索新能源器件的集成。

本项目的总体思路是：从认识自然界和生命体系中一些生物电现象出发，研究生命体结构与高效产能特性的内在关联；受其启发，通过设计仿生功能分子和功能分子在智能界面的组装，实现功能仿生纳米通道单元的制备；将智能孔道集成发展为智能薄膜；探索多尺度，多维度的孔道结构单元智能化组装，并最终实现能源转换原型器件，如图一所示。

图一、“仿生智能纳米通道能量转换材料体系及器件集成”总体思路示意图。

本项目从仿生角度出发，结合已有研究基础，系统深入研究自然界中能量转换与储存的机制与规律及其结构与性能之间的内在本质，构筑从分子到纳米、微米多尺度仿生能量转换材料体系，通过模仿自然构筑新原理或新结构的仿生能量

转换材料和器件。从认识自然到模仿自然进而超越自然，实现能量利用最大化和环境成本最小化，推动对传统能源器件的升级改造。

研究特色与创新点

（1）从仿生的角度，将功能分子在具有特殊响应特性的界面上进行组装，并使之功能化。

（2）从新原理和新材料、新技术的角度，解决可再生能源的高效和集成问题，通过对仿生纳米通道能量转换材料体系与器件的深入系统研究，实现基础研究与国家发展目标的紧密衔接。

（3）源于自然，至少在某个或某些方面超过自然！实现能量利用最大化和环境成本最小化。

（4）将可控的分子自组装技术应用于功能化的人工纳米孔道的制造，它既是瞄准学科发展前沿，同时又是面向国家发展的重大战略需求提出的。

课题的可行性

本项目是纳米、能源、仿生、材料、化学和物理器件交叉性很强的前沿科学，是解决纳米能源问题的新途径，正引起国际学术界和产业界的广泛关注。本项目在我国几个重要的科学研究基地（如清华大学、中国科学院化学研究所、北京航空航天大学、北京师范大学、中科院长春应用化学研究所、中科院青岛能源所等六家国内一流高校和科研院所单位，参加基地涵盖了两个国家实验室：北京分子科学国家实验室（筹）、航空科学与技术国家实验室（筹）；一个国家重点实验室：电分析化学国家实验室；两个国家中心：北京电子能谱中心、国家电化学和光谱研究中心，两个教育部重点实验室和两个科学院重点实验室）长期交流、合作基础上，围绕仿生纳米通道能量转换材料体系与器件这一新的学术增长点，自发形成的优秀团队，拥有千人计划 1名，长江学者2名，国家杰出青年科学基金获得者4 名，中国科学院百人计划入选者 6 名等优秀人才。研究团队成员分布在不同的学科（包括化学、纳米材料、能源、仿生、材料物理、生物等学科），在各自的学科领域取得了突出的成绩，前期基础工作雄厚。这一国内优势单位组成的跨学科的研究团对的研究条件互补性强，具有仿生纳米通道功能分子、结构单元及纳米能量转换材料体系制备、表征的条件，拥有仿生能源器件制造加工技术平台、和器件性能表征等的必备手段与条件。参加本项目的研究队伍具有锐意