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材料與化學領域四大研究熱點以及材料科學的發展

文章來源：賢集網更新時間：2023-04-18 16:23:04

全球科技在不斷發展，隨著科技一起發展的還有材料，材料類研究同時在不斷推陳出新，不斷涌現出各種研究熱點，各個領域對材料的需求量也不斷增加，對材料性能在尖端領域提出了更高的要求，使得材料科學變得越來越重要，其前沿技術也不斷涌現。本文總結了將對近年來材料與化學領域四大研究熱點，以及材料科學的發展。

開始介紹之前先來了解一下什么是新材料

新材料被視為新技術革命的基礎和先導，新材料的發展及趨勢將深刻影響時代的變化、人類生活和社會發展。當今全球氣候變化帶來的風險日趨緊迫，新一輪技術革命帶來的制造業升級壓力空前巨大，世界政治格局發生深刻變化，國家間的競爭與摩擦愈演愈烈，關鍵材料的快速迭代正日漸成為主流，新材料研發模式本身也亟待變革。

當今世界正經歷百年未有之大變局，各類技術、理念和產業都發生著日新月異的變化。材料是現代文明的三大支柱之一，新材料被視為新技術革命的基礎和先導，其發展和趨勢將深刻影響時代的變化。近年來，全球氣候變化造成的影響已經涉及人類生活的方方面面，環境保護日益成為各國發展戰略的核心議題，我國也將生態文明建設作為“五位一體”總體布局的重要組成部分。同時，新一輪技術革命正在如火如荼地進行當中，隨著制造技術高速迭代，全球制造業均面臨著巨大的升級壓力，多個主要制造業國家提出了工業升級戰略，產業博弈進入新時代。此外，國家安全始終是各個國家發展的核心戰略，在總體國家安全觀下國家安全戰略也有了更豐富的內涵，面臨著巨大的發展機遇，具有重大意義。材料科學發展在應對全球氣候變化、制造業產業升級、國家安全等方面發揮不可替代的關鍵作用。現有的材料研發速度已經難以滿足社會的發展需求，材料科學的研發方式本身也必須要做出變革，因此材料基因工程理念和方法應運而生。

材料與化學領域四大研究熱點

1.Mxene在鋰硫電池中的應用

首先，Mxene作為導電劑加入到鋰硫電池的電極材料中，能夠有效提升硫正極的導電性能，降低電極內部電阻，從而提高電極的輸出功率和循環壽命。另外，Mxene本身也具有較高的儲鋰容量和耐化學腐蝕性能，因此可以作為鋰硫電池負極材料的替代品，直接參與電池反應，提高鋰離子電池的能量密度和循環壽命。近年來，有研究報道將Mxene作為鋰硫電池負極材料，發現其具有較高的儲鋰容量和良好的循環性能，表現出良好的應用前景。

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2.一種穩定和多孔的金屬有機框架的設計與合成

多孔金屬有機框架（MOFs）是由金屬離子（離子簇）和有機配體自組裝形成的多孔晶體材料，具有極高的比表面積、可調控的孔徑大小和化學活性等優異特性。具有分子設計的理念，MOFs已經廣泛應用于氣體吸附、儲能催化、分離純化等領域。

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3.鈣鈦礦發光二極管

鈣鈦礦發光二極管（Perovskite Light Emitting Diode, PLED）是基于鈣鈦礦半導體材料的發光二極管，近年來在半導體發光領域備受關注。相比傳統的有機發光二極管，鈣鈦礦發光二極管具有高效率、高亮度、色彩純度和穩定性等優異特性，是當前研究熱點之一。隨著PLED技術的不斷發展和完善，其應用前景也越來越廣闊。目前PLED已經在顯示、照明、生物成像等多個領域得到了應用，并且也有望應用于智能穿戴設備、柔性顯示器、虛擬現實等未來市場?？傊?，PLED的研究現狀不斷發展和完善，研究者們不斷探索其結構設計、材料制備、光電性能及應用前景，相信隨著技術的不斷進步，PLED將會在未來發揮出更大作用。

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4.人工智能輔助材料合成

人工智能在材料設計方面的應用成為了研究熱點。隨著大數據、機器學習、深度學習等技術的不斷發展，材料科學可以利用算法模擬來加速材料的發現和優化。在這一方面的應用包括高效光催化劑材料、具有優異熱穩定性的聚合物材料等。通過人工智能在材料設計中的應用，可以為材料研究提供新思路和手段，推動材料科學的創新與發展。

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制造業產業升級背景下的材料科學發展

全球正處于在新的產業革命時代，正經歷著百年未有之大變局。著力提升國家制造業基礎是提升綜合國力的重要支點，是“以不變應萬變”的主要抓手。世界各國也因此紛紛啟動了推進制造業發展的相關計劃。例如，德國推進“工業?4.0”戰略，美國嘗試工業互聯網和“創客”，日本也推出了新的經濟增長戰略以應對“第?4?次產業革命”。我國是全球制造業第一大國，也是唯一擁有完整產業鏈的國家，全球制造業發展與我國發展息息相關。材料科學是制造業發展與進步的關鍵基礎，也是公認的制造業發展的瓶頸。因此，在制造業產業升級背景下，材料科學發展應從完成制造業產業升級和促進制造業結構改革兩個方面發揮作用。

1、制造業產業升級

“一代材料一代產業”，各類產業升級離不開材料科學的進步。“提升產量、提升質量、提升效率、降低成本”的“三提一降”策略是貫穿制造業發展始終的產業核心戰略。材料科學、新材料和相關技術能夠幫助產業實現升級。例如，通過突破鎳錳酸鋰正極材料及電池有關技術，將目前占主流的動力和儲能用磷酸鐵鋰電池體系替換為鎳錳酸鋰體系，電池能量密度將提升?40%?以上，每千瓦時成本可降低?20%?以上；或通過突破低密度鋼、高性能車用鋼的有關技術，替換現有鋼材，在不提升其生產成本的前提下，提升其服役性能。

2、制造業結構改革

除了在現有產業角度不斷提升之外，材料科學還應發揮基礎科學的創新源頭作用，改變我國材料工業和制造業現有的“大而不強”局面。逐步推動增材制造、先進熔煉和精密制造等材料相關的高端制造行業擴大產業規模，提升市場占比，形成從原材料到產品的完整產業鏈。

全球氣候變化背景下的材料科學發展

能源清潔、低碳化趨勢已經成為全球共識?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和?2035?年遠景目標綱要》中將“持續改善環境質量”單獨成章，進行規劃與布局。2021?年《中美應對氣候危機聯合聲明》再次強調了氣候變化帶來的風險的緊迫性。在環境保護重要性和緊迫性[2]雙重要求下，材料科學需要通過支撐新能源材料推廣、廢棄物回收和高污染產業替代?3?個方面發揮作用。

新能源材料

發展環境友好的新能源材料，其實質是通過環境友好的方式完成能量捕獲、能量存儲和能量使用過程。例如：

1、高性能永磁體材料和具有高光電轉化效率的光伏材料等。這些高性能發電材料能夠拓展人類從自然界捕獲能量的渠道和效率，光伏技術是發展速度最快的清潔能源技術，能夠滿足未來太瓦級的能源需求。

2、太陽能電池技術。晶硅電池是成熟度最高的太陽能電池技術，兼具高效、穩定、安全等技術特點，近年來生產成本大幅下降，市場占有率達?90%。此外，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池在過去?10?年內取得了舉世矚目的發展。截至目前，小面積鈣鈦礦電池的認證效率達到?25.5%；鈣鈦礦/硅疊層電池的認證效率已達到?29.5%，其成為全球公認最具前景的新一代光伏器件。研發高效率、低成本、穩定、安全的太陽能電池是實現太陽能光伏發電廣泛應用的技術基礎。捕獲的能量可直接并網使用或儲存在各類儲能材料（如二次電池、超級電容器、儲氫材料）中。

3、電化學儲能技術。近年來，電化學儲能技術席卷消費類電子市場，并迅速進入交通等領域。鋰離子電池能量密度高、電壓高、成本低，是該類技術的代表；得益于電動汽車產業的迅速發展，水系鋅基電池等新型儲能電池研發工作近年來取得快速發展。此外，可再生能源的氫轉化與存儲技術是我國大力發展的技術路線。開發高容量電極材料、高活性催化劑，進一步提升電池穩定性、安全性，降低成本是儲能領域的核心。在此基礎上，通過廣泛使用低電阻、低鐵損的非晶變壓器、非晶電機和軟磁材料等節能材料，可進一步提升能量利用率，降低碳排放。

總之，材料科學的前沿技術正在不斷涌現，這些技術的應用將推動材料科學的不斷發展，并對各行業產生深遠影響。期待未來材料科學的進一步發展，為人類社會帶來更多新的突破性成果。

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