新能源矿物材料研究进展*

陈天星,李宇恒,孔 静,胡雅祺

(西安建筑科技大学 资源工程学院,陕西 西安 710000)

0 引言

随着经济社会的快速发展,人类对化石能源的消耗呈指数倍增长,过度消耗造成了日益严重的能源危机、环境污染等问题。新能源技术不仅是解决能源危机、修复生态环境的重要手段,同时也能保障经济社会高质量可持续发展。新能源技术开发的核心和基础是材料,新能源材料是推动新能源技术快速发展的有力保障[1-3]。新能源材料在新能源转化和利用过程中能够显著提高储能效率、加快能源转化,使能源利用更加高效[4]。近年来,我国新能源材料产业发展迅速,日益提高的技术水平和不断扩大的产业规模有助于我国锂离子电池材料、燃料电池材料等高新技术产业突破技术壁垒,实现快速发展。

相比于传统无机材料,天然矿物具有种类多、成本低和环境友好等优势,将其应用于新能源材料领域有望提高其储能效率、能量转换效率并降低成本[5-6]。目前新能源矿物材料主要聚焦于超级电容器、储气、锂离子电池、光/电催化、相变储能等领域。开展新能源矿物材料的研究对于促进矿产资源高值和高效利用、传统产业结构优化以及高新技术产业发展、节能减排、生态环境保护等方面具有重要意义[7-8]。本文通过介绍天然矿物在新能源材料领域的应用现状,剖析天然矿物在材料制备及应用中的作用机理,以期为新能源矿物材料的可持续发展提供参考。

1 超级电容器

超级电容器是介于传统电容器和电池之间的新型储能元件[9],一般由电极、集流体、电解质及隔膜构成[10]。根据电荷储存机理的差异,超级电容器可分为赝电容器、双电层电容器和混合型电容器三大类型。超级电容器的储能原理是依靠表面吸附/脱附实现能量的储存与释放。但较低的能量密度和较大的自放电速率在一定程度上阻碍了超级电容器的普及与应用[11]。

利用天然矿物将有望提高超级电容器的容量,改善其长循环不稳定的缺点,从而提升其安全性能[12]。超级电容器领域所用天然矿物基本分为4种:一是作为电极活性材料,二是作为电极模板材料,三是作为电极载体材料,四是作为聚合物电解质的无机填料[13]。

1.1 电极活性材料

天然石墨是发展高新技术必不可少的矿产资源,具有良好的导电性能,将其用作超级电容器电极材料具有广阔的应用前景[12]。LIM等[14]以聚丙烯腈为前驱体,在天然石墨上负载硬碳涂层,制备了硬质碳包覆石墨电极,10 000次循环后容量保持率达到74.6%,适合作为高能大功率超级电容器的负极材料[15]。除天然石墨外,RAJCIC-VUJASINOVIC等[16]研究了将铜蓝作为超级电容器电极活性材料,在酸性电解液条件下,第一次阳极极化过程中铜蓝的比电容达到20 F/cm2,而在碱性电解液中则降低至6.7 F/cm2。此外,PHOOHINKONG等[17]采用球磨法制备了金红石纳米颗粒,并将其用作电极活性材料,得益于金红石表面高活性Ti3+,使得该电极活性材料表现出了优异的电化学性能。天然矿物作为活性材料极大地提高了电极的比电容、能量密度和循环稳定性,在超级电容器中具有良好的应用前景。

1.2 模板材料

某些天然矿物具有特定的形貌结构,如凹凸棒石、蒙脱石、埃洛石、硅藻土等,常用作模板合成具有特定形貌的多孔碳材料[18]。LUO等[19]采用硬模板法以凹凸棒石为模板、柠檬酸为碳源制备了介孔碳材料,该材料复制了凹凸棒石的纳米棒状结构,比表面积和总孔容分别达707 m2/g和1.22 cm3/g;在 2 mA/cm2的电流密度下,能达到182 F/g的比电容,1 000次充放电循环后其电容保持率仍高达95.68%,表现出了优异的电化学性能和循环稳定性。曹曦等[20]以天然纳米纤维矿物纤蛇纹石为模板、蔗糖为碳源,制备了具有一维管状形貌的多级孔结构碳材料,模板碳材料的中大孔比例达到87%,丰富的中大孔使其具备优良的电导性和较高的功率密度;在20 A/g的电流密度下仍能保持75%以上的比电容,在10 A/g的电流密度下循环10 000次,比电容达119 F/g。

此外,可利用矿物模板法合成具有特定形貌的导电聚合物[21]。XIE等[22]以凹凸棒石为模板,采用原位聚合法制备了石墨烯/多孔聚苯胺超级电容器电极材料,在1 A/g的电流密度、50 mV/s的扫描速度下比电容达654.75 F/g,经过1 000次充放电循环后,电容保持率达74.36%,石墨烯/多孔聚苯胺复合电极材料具有较高的比表面积且电化学性能优于纯石墨烯和聚苯胺材料。FAN等[23]以天然高岭土(HNTs)为模板合成了聚苯胺(PANI)纳米管并作为高性能赝电容电极,制备的PANI-HNTs复合材料具有中空结构和较高的比表面积,经过碳涂层后,在1 A/g的电流密度下,PANI-HNTs/C电极的比电容达654 F/g,10 000次充放电循环后其电容保持率达87%。将矿物模板法用于导电聚合物的合成,在保留导电聚合物较大比电容的同时提升了其机械稳定性,适用于高能量密度的超级电容器。

1.3 电极载体材料

为得到具有特定形貌的活性材料,同时提升材料的比电容,改善循环稳定性,可以将活性材料负载在蒙脱石、埃洛石等矿物表面[24]。CHANG等[25]对海泡石进行了有机改性,采用原位聚合法制备了海泡石/聚吡咯纳米复合材料,将其用作超级电容器电极材料时最大比电容达164.9 F/g。REN等[26]以将蒙脱石为载体的新型氮掺杂碳(NMC)为原料,采用超声分散法制备了NMC/MnO2复合材料,再与苯胺(ANI)原位聚合得到NMC/MnO2/PANI复合材料,在1 mol/L Na2SO4电解液中,0.25 A/g的电流密度下其比电容达228.5 F/g,在4 A/g的电流密度下其比电容达140 F/g,在1 A/g的电流密度下循环800次其电容保持率为86%。CHAI等[27]以埃洛石(HNTs)为载体和组分,采用自组装的方法制备了多孔NiCo2SO4/HNTs复合材料,在1 A/g的电流密度下该复合材料的比电容达589 F/g,经过1 000次充放电循环后其电容保持率为86%,NiCo2SO4/HNTs复合材料具有大量活性位点的3D多孔结构以及高比表面积和短扩散路径。天然矿物能有效避免材料的团聚现象,增加电荷的储存空间和离子传输速度,制备出的复合电极材料表现出了高活性位点。

1.4 复合聚合物电解质

天然矿物作为无机填料制备复合聚合物电解质,可以提高聚合物电解质的离子电导率[28-29]。WANG等[30]分别以蒙脱石、聚乙二醇甲醚丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯为添加剂和原料,制备了复合固态电解质;使用该复合固态电解质的超级电容器,在0.3 C的倍率下循环400次后其电容保持率高达98%,表现出了优异的电化学稳定性。LIN等[31]将埃洛石纳米管作为超级电容器固态电解质填料,在4 C的倍率下,比放电容量达809 mAh/g,经过400次循环后比放电容量仍高达386 mAh/g,其离子电导率大大提高,并且能在25～100 ℃下保持高容量和较长的使用寿命。黏土矿物的加入对提高聚合物电解质的性能有显著作用,是聚合物电解质填料的理想选择。

天然矿物的存在能够提高超级电容器电极材料的电化学性能和循环稳定性,弥补成本过高的缺点。未来在超级电容器电极材料的研究中应加强对材料微观结构的设计,利用天然矿物的特殊结构来控制电极材料表面形貌,提高活性位点数量和反应动力学,从而提高材料的电化学性能。

2 储气材料

化石燃料的日益消耗使人类面临能源短缺的严峻考验,对氢能、甲烷等新型能源的有效开发和利用显得越来越迫切。气体燃料因其具有爆炸性,其运输与储存研究已成为开发利用的核心[32]。多孔固体吸附材料是利用吸附剂巨大的比表面积和丰富的孔结构吸附储存气体,充气时外界压力较高,气体储存在吸附剂的孔结构中,放气时外界压力较低,气体从吸附剂的孔结构中脱附而出。一般认为,优良的气体吸附材料应具备以下特性:巨大的比表面积、丰富的微孔和适宜的孔径分布;较快的吸/脱附速率;良好的传热性能;使用寿命长、合成工艺简单[33]。

2.1 储氢材料

随着科技的发展,氢的制备已不再是难题,但由于氢的特殊理化性质,氢气的储存是氢能使用的关键环节[34]。作为最具发展前景的一类储氢方式,固态储氢技术拥有优异的储氢能量密度和安全可靠的性质[35]。基于物理吸附储氢储存效率高、在温和条件下吸附/解吸氢气效果好等优点,使其在固态储氢领域得到了迅速发展[36]。目前物理吸附储氢材料主要有:碳基材料及其衍生物、沸石分子筛、硅纳米管、金属有机骨架化合物和共价有机物骨架等[37]。对比以上储氢材料,天然矿物自身具有丰富的纳米孔结构,能为氢气提供大量的吸附位点,并且稳定的化学性质也能为氢气的安全储存提供保障。

程继鹏等[38]以C2H2为碳源,Co为催化剂,在750 ℃的条件下,采用化学气相沉积法在坡缕缟石矿物表面成功生长了碳纳米管;坡缕缟石原位生长碳纳米管的储氢能力达到了0.41%,碳纳米管原位生长在多孔矿物表面上使其不必经过钝化就能提高储氢能力。JIN等[39]研究了在室温下3种不同处理方法(热处理、酸处理、钯处理)条件下埃洛石纳米管(HNTs)的氢吸附量,结果表明,在2.63 MPa/298K的条件下,HNTs的氢吸附量为0.436%,相同条件下经热处理(T-HNTs)、酸处理(A-HNTs)和钯改性(Pd-HNTs)后的HNTs氢吸附量分别为0.263%、1.371%和1.143%。由此可见,经酸处理后的A-HNTs和钯处理之后的Pd-HNTs表现出了优良的吸氢能力,是提高HNTs储氢能力的有效方法。HNTs和处理后的HNTs拥有优异的稳定性和较强的氢吸附能力,表现出了作为温室储氢介质的潜力。姜翠红[40]采用水解沉淀法制备了BaO修饰坡缕石,该储氢材料在298 K、7 MPa条件下的储氢量达2.35%。

2.2 储甲烷材料

目前,人们开始尝试用经济性好、使用方便、安全性能高的吸附天然气储存技术来替代传统的压缩天然气技术和液化天然气技术。实现天然气高效储存的关键在于合成稳定、经济且具有高吸附量的天然气吸附剂[41],其中研究较多、性能较好的天然气吸附材料主要有分子筛、多孔碳材料和金属有机骨架化合物[42]。

有研究[43]表明,黏土矿物对页岩气藏的形成和开发具有一定的积极意义且具有储气性能。LIU等[44]研究了在高压条件下蒙脱石、高岭土和伊利石对甲烷的吸附性能,在18 MPa/60 ℃的条件下,蒙脱石、高岭土、伊利石均表现出了较高的吸附能力,分别为6.01、3.88、2.22 cm3/g,黏土矿物的结构和表面性质是评价储气能力的重要参数。李全中等[45]研究了绿泥石对甲烷的吸附作用,发现绿泥石的中孔占总孔容的75.36%、比表面积的90.65%,对甲烷的最大吸附量为2.69 cm3/g。黏土矿物对甲烷吸附主要受控于矿物的中孔比表面积,最大吸附量与其呈正相关。

随着固体储气材料的发展,天然矿物在储气材料中的应用研究将成为热点。目前天然矿物的结构与储气性能的关系及储气机理的研究尚显不足,需深入开展天然矿物基储气材料基础研究。

3 锂电池材料

锂离子电池以其高比能量、长循环寿命、无记忆效应、安全可靠以及快速充放电等优点而成为二次电池的研究热点[46]。锂离子电池在充放电循环中内部材料发生的不可逆物理化学反应会导致电池退化,从而导致性能下降,甚至引发爆炸事故等。因此,开发新型锂电池材料一直是储能领域的研究热点[47]。基于天然矿物独特的晶体结构和微观形貌、优良的理化性能[48],将其用于制造锂离子电池电极、隔膜和固体电解质等关键器件,有望改善锂离子电池的能量密度和安全性等性能,不仅能节约电池生产成本,还能推动矿物资源的高价值开发与利用[6]。

3.1 电极材料

传统的电极材料由于其理论比容量受限,已不能满足当前高比特性锂电池的市场需求[49]。天然矿物用作锂硫电池的复合正极材料可有效弥补多硫化物导电性差和易溶解等缺陷[50], PAN等[51]以海泡石和硫磺为原料,采用真空热处理法制备了海泡石/硫复合正极材料,在0.2 C的倍率下,初始比放电容量达1 436 mAh/g,经过300次循环后比放电容量仍高达901 mAh/g。天然海泡石吸附性强且成本低廉,多硫化物的溶解问题在添加海泡石后得到了显著改善,并以此获得稳定的电化学性质。

XIE等[52]以石墨烯纳米片(GNs)、功能化凹凸棒石(ATTP)和硫为原料,采用熔融扩散法制备了ATTP@GNs/S复合负极材料;该材料拥有1 143.9 mAh/g的初始比放电容量,在0.1 C的倍率下循环100次后可逆比放电容量为512 mAh/g,单次循环下的容量衰减率为0.5%。赵明远等[53]以天然埃洛石为前驱体,采用低温铝热还原法和自模板法合成了硅纳米管;基于埃洛石的硅纳米管作为锂离子电池负极时其初次比放电容量高达3 150.2 mAh/g,在0.5 A/g的电流密度下经过50次循环后仍能保持1 786.0 mAh/g的高比放电容量,是商业硅材料的2倍以上。天然埃洛石的铝氧八面体有利于维持埃洛石一维纳米管状结构,有效弥补硅负极在脱嵌锂过程中体积变化导致的活性材料开裂与粉碎缺陷,改善循环过程中的结构稳定性。

3.2 隔膜材料

目前商用锂电池隔膜材料主要是聚烯烃材料,材料耐热性较差,PE和PP隔膜本身的热变形温度不超过100 ℃,而且PE和PP隔膜属于非极性材料,吸液保液性较差[54]。天然矿物可有效弥补聚烯烃类隔膜的缺陷,从而大幅提升锂离子电池的各项性能[55]。

张红涛等[56]以沸石、硅溶胶和乙二胺四乙酸为原料,采用烧结工艺制备了沸石基锂离子电池隔膜;制备出的多孔沸石隔膜平均孔径约为200 nm,孔隙率高达72%,在160 ℃下热处理0.5 h热收缩率为0,电解液接触角接近0°。多孔沸石隔膜组装的锂离子电池经300次充放电循环后容量衰减率仅为4.2%。沸石隔膜的孔隙率、热稳定性、电解液亲和力以及容量保持率均优于传统聚烯烃隔膜。YANG等[57]通过在PE隔膜表面涂覆纳米聚吡咯/有机蒙脱石(nano-ppy/OMMT),制备了nano-ppy/OMMT涂层隔膜;由复合隔膜组装的锂离子电池初次比放电容量为125.9 mAh/g,库伦效率为99.6%,经过100次循环后比放电容量为99.12 mAh/g,约为初次比放电容量的80%。有机涂层均匀地分布在PE膈膜表面,展现出了复杂的三维多层结构以及高比表面积,不仅有利于电解质的吸收,也降低了电池在高温下的内阻。SONG等[58]将凹凸棒石(ATP)纳米纤维掺入从褐藻中提取的可生物降解多糖海藻酸钠(SA)中,采用相转化法制备了SA/ATP多孔复合隔膜;该复合隔膜平均孔径约为25 nm,在250 ℃下几乎没有发生热收缩,电解液吸收率为420%。将SA/ATP复合隔膜用于锂离子电池,在5 C的倍率下比放电容量达115 mAh/g,经过700次循环后容量保持率为82%。

3.3 电解质材料

传统液态电解质一般由碳酸酯或羧酸酯小分子物质构成,闪点低且易燃易爆,在锂电池中一旦发生泄漏,极易引发安全事故[59]。锂离子电池正从存在严重隐患的液态电解质向安全性能更好、加工性能更优的固态电解质方向发展[60]。天然矿物以其特殊的形貌结构和高Li+传导率使其能成为构筑复合固态电解质的新型材料,能有效抑制锂离子电池中锂枝晶的不可控生长[61],同时天然矿物表面丰富的含氧官能团可与聚合物之间形成化合键、氢键等各种化学作用,有效提升固态电解质的机械强度[62]。

LUN等[63]以PVDF为基体、埃洛石(HNTs)为填料,采用溶液浇筑法制备了PVDF/HNTs复合固体电解质;该复合固体电解质的离子电导率为3.5×10-4S/cm,组装的锂离子电池在1 C的倍率下首次比放电容量为71.9 mAh/g,循环250次后比放电容量为73.5 mAh/g。YAO等[64]以坡缕石(ATP)纳米纤维为陶瓷填料,制备了PVDF/ATP复合固体电解质,当ATP的添加量为5%时,该复合固体电解质的弹性模量从9 MPa增加到96 MPa,Li+扩散系数从0.21增加到0.54;将PVDF/ATP复合固体电解质用于锂离子电池,在0.3 C的倍率下循环200次容量保持率高达97%。埃洛石、坡缕石等天然矿物的加入解决了PVDF基聚合物电解质机械强度低的问题,提升了固态锂电池的安全性能。

天然矿物在锂离子电池隔膜、电极和电解质材料方面的基础理论研究较为成熟,未来应重点关注产业化问题:需要结合天然矿物的结构特点,简化材料合成方式,降低材料成本,实现天然矿物基锂离子电池材料的产业化应用。

4 光/电催化材料

催化反应技术被认为是最具前景最有效的技术之一,其核心是高活性催化材料[65]。深度开发高活性催化材料,对于高效催化反应技术的研究具有重要意义[66]。一些架状、层状、链层状结构的矿物因具有复杂的孔结构和高比表面积而被广泛用作催化剂载体和复合催化剂材料,不仅可以降低催化剂制备成本,还可以提高催化剂的分散性和可回收性[67]。

4.1 光催化材料

近年来,国内外学者以多孔矿物为载体和原料,制备了绿色高效的多孔矿物复合光催化材料并应用于光催化产氢和光催化降解有机物等领域[67-68]。

张丽等[69]以水滑石为前驱体,采用研磨水热法合成了ZnCr2O4-ZnO复合光催化材料,经500 ℃焙烧后,形成的球形纳米粒子粒径为34.2 nm,分散均匀,比表面积为53.3 m3/g,产氢效率为0.956 mmol/(h·gcat)。此外,高岭石超强的吸附能力与良好的沉降能力可以弥补纯半导体光催化剂自身缺陷,是较理想的催化剂材料。赵蕴璞等[70]以石墨相氮化碳(g-C3N4)和高岭石为原料,采用一锅法合成了g-C3N4/高岭石复合光催化材料,该复合光催化材料的析氢速率为纯g-C3N4的1.5倍, g-C3N4与带负电的高岭石紧密结合,促进了g-C3N4光生电子-空穴对的分离,提升了其光催化制氢性能。为解决纳米TiO2存在于水介质中难以回收、容易流失、不易分散的问题,廖灵敏等[71]以海泡石(SEP)为载体,采用粉末烧结法制备出了纳米TiO2/SEP复合光催化材料;SEP的加入明显抑制了纳米TiO2的团聚现象,增强了其在紫外至可见光波长范围内的光吸收强度,从而提高了复合材料的光催化活性。

天然矿物不仅是优良的光催化剂载体,其本身也是极好的光催化剂[72]。沈箭飞等[73]采用天然半导体矿物黑钨矿作为光催化剂降解废水中的土霉素,在初始浓度为5.0 mg/L、pH为4.5、固液比为1.0 g/L、光照强度为60 W、时间为120 min的条件下,土霉素的去除率达94.3%。

4.2 电催化材料

电催化是使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应的一种催化作用,已广泛应用于电催化析氢、析氧、脱硝等领域[74]。当今贵金属基材料仍是使用最广泛的电催化材料,但其存在储量少、成本高和具有毒性等问题。目前,研究者一直致力于开发高效、廉价的电催化剂作为贵金属电催化剂的替代品[75]。部分天然矿物本身具有一定的电催化活性,制备的电催化材料具有优异的催化性能[76]。

张海钦等[77]采用电化学沉积法在天然石墨片上直接生长过渡金属磷镍钼化合物,制备出了Mo-Ni-P/C复合电催化材料;在阴极电流密度为10 mA/cm2时,过电位为67 mV,Tafel斜率为66.7 mV/dec。以低成本和简易的合成方法制备的电催化材料,具有较高的电催化析氢活性和稳定性。DEDZO等[78]研究了1∶1黏土矿物负载钯纳米颗粒修饰的碳糊电极上的析氢反应,发现其析氢效率比对硝基苯酚直接还原法高出5倍。赵然等[79]以独居石为载体、Fe2O3为原料,采用硝酸铁溶液浸渍、马弗炉焙烧制备了复合电催化材料;在硝酸铁浓度为0.5 mol/L、反应温度为300 ℃的条件下独居石负载Fe2O3的活性粉体脱硝效率最佳为80.52%,远高于纯独居石50.2%的脱硝效率。张盛等[80]以凹凸棒石(ATP)为载体,类石墨相氮化碳(g-C3N4)通过原位沉积、干燥冷冻、焙烧工艺制备了ATP/g-C3N4复合电催化材料;当ATP质量分数为50%时,ATP/g-C3N4复合电催化材料具有最优的催化析氧性能,在10 mA/cm2的电流密度下析氧过电位为410 mV,Tafel斜率为118 mV/dec。将g-C3N4负载于凹凸棒石表面,增加了其比表面积和表面活性位点,使其析氧能力得到大幅提升。

光/电催化技术价格低廉、工艺简单,受到众多学者的青睐,但目前仍存在催化剂投加量大、回收困难、易团聚等问题。天然矿物作为催化剂载体以及催化材料对于提高催化性能和实际应用价值具有重大意义。未来,深入探究载体材料的复合方式,研发高效经济的天然矿物基复合材料将有助于光/电催化材料的发展与应用。

5 相变储能材料

相变储能材料(PCM)是一种新型功能材料,是利用材料在相变时吸热或放热来实现储热或释热[81]。在相变储能领域天然矿物扮演着重要角色,一方面天然矿物本身就是很好的无机相变材料,在添加适当的成核剂和增稠剂后便能被加工成性能优异的相变储能材料;另一方面矿物内部的孔隙结构可作为相变储能材料的优良载体[82]。

YI等[83]将天然蒙脱石剥离成二维蒙脱石纳米片,再自组装成三维网状蒙脱石骨架用于封装硬脂酸以制备复合PCM,蒙脱石三维骨架提供了高孔隙率和比表面积,可以封装95%的硬脂酸而不发生泄漏,使得复合PCM的相变潜热达198.78 J/g。复合PCM成本低、制备简单、转换效率高、储能性能优异,在可再生能源领域具有巨大的应用潜力。张永辉[84]在五水硫代硫酸钠中添加成核剂和增稠剂,再与TiO2-海泡石多孔基体材料复合,成功制备了五水硫代硫酸钠/TiO2-海泡石复合相变储能材料;加热-冷却循环205次后,复合相变储能材料的相变潜热为176.85 J/g,降幅仅为7.79%,失重率为7.53%,TiO2-海泡石有利于相变储能材料中水分的保存,延长材料使用寿命。基于凹凸棒石对有机物良好的吸附性能,施韬等[85]以凹凸棒石(ATP)为吸附介质、石蜡(PW)为吸附对象,制备了ATP/PW复合相变储能材料;该复合相变储能材料的储/放热性能优异,随着环境温度的变化能够实现热量的储存与释放,不仅使得环境温度的惰性大大提升,而且实现了热量在空间和时间上的迁移,取得了良好的节能效果。FU等[86]采用直接浸渍法制备了月桂酸/硅藻土复合相变储能材料,该复合PCM的熔融温度为40.9 ℃,结晶温度为38.7 ℃,熔融潜热达57.2 J/g;此外,该复合PCM与混凝土的相容性好,可作为被动式太阳能空间供暖或降低室内温度波动的储能材料,在建筑领域具有巨大的应用潜力。

天然矿物与无机/有机相变材料的复合将各种材料的优点整合,是未来相变储能材料研究与应用的重点方向,应利用天然矿物种类的多样性及结构的特殊性,丰富相变储能材料体系,以扩大其应用范围。

6 其他能源矿物材料

近年来,随着对矿物材料的深入研究,天然矿物的应用范围得到了进一步拓展,在太阳能光伏、绝缘防火电缆和介电电容器等新能源领域也取得了丰硕成果。

刘磊等[87]通过将云母和陶瓷化复合带组合绕包制备了额定电压为0.6/1 kV的矿物绝缘铜带联锁铠装柔性防火电缆,该电缆具有优异的绝缘性能、耐火性能和阻燃性能。FU等[88]通过机械搅拌在DMF中成功剥离了层状云母纳米片,在PVDF基体中加入剥离的云母纳米片,当云母添加量为5%,扫描速度为450 mV/s时,制备的复合介电材料的最大放电能量密度为7.93 J/cm3,大约是纯PVDF聚合物基体的3倍,提升了PVDF/云母复合介电材料的击穿强度,为制备柔韧、高能量密度的高分子聚合物介电材料提供了经济有效的途径,拓展了云母的应用领域。鲁安怀等[89]研究发现水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿物在日光的辐射下能够产生矿物光电子,具有明显的可见光光电效应,从而具有稳定、灵敏的光电转换性能。

7 结语

天然矿物以其独特的结构形貌以及优良的理化性质在新能源材料领域呈现出了蓬勃发展之势,有望成为推动能源行业转型升级、应对气候变化和环境保护等挑战的重要力量之一。但新能源矿物材料的研究仍存在以下局限性:一是新能源矿物材料的基础理论研究相对滞后,尚未形成成熟的理论体系;二是新能源矿物材料的制备工艺大多处于实验室制备阶段,存在规模化应用难题;三是新能源矿物材料的研发缺乏市场导向,研究成果距离实际需求仍存在较大差距。

在“双碳”目标愿景下,未来10～15年新能源技术的发展将成为我国参与国际产业竞争的关键一环。如何充分发挥新能源矿物材料的优势,助力我国新能源技术不断提升,需要政府的合理引导和鼓励,以低碳经济的思维和视角来部署新能源矿物材料的产业技术路线,同时高校和科研院所应加强基础研究,不断提升新能源矿物材料的经济性和实用性,为更好地开发利用新能源和矿产资源奠定基础。