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材料与化学领域四大研究热点以及材料科学的发展

文章来源：贤集网更新时间：2023-04-18 16:23:04

全球科技在不断发展，随着科技一起发展的还有材料，材料类研究同时在不断推陈出新，不断涌现出各种研究热点，各个领域对材料的需求量也不断增加，对材料性能在尖端领域提出了更高的要求，使得材料科学变得越来越重要，其前沿技术也不断涌现。本文总结了将对近年来材料与化学领域四大研究热点，以及材料科学的发展。

开始介绍之前先来了解一下什么是新材料

新材料被视为新技术革命的基础和先导，新材料的发展及趋势将深刻影响时代的变化、人类生活和社会发展。当今全球气候变化带来的风险日趋紧迫，新一轮技术革命带来的制造业升级压力空前巨大，世界政治格局发生深刻变化，国家间的竞争与摩擦愈演愈烈，关键材料的快速迭代正日渐成为主流，新材料研发模式本身也亟待变革。

当今世界正经历百年未有之大变局，各类技术、理念和产业都发生着日新月异的变化。材料是现代文明的三大支柱之一，新材料被视为新技术革命的基础和先导，其发展和趋势将深刻影响时代的变化。近年来，全球气候变化造成的影响已经涉及人类生活的方方面面，环境保护日益成为各国发展战略的核心议题，我国也将生态文明建设作为“五位一体”总体布局的重要组成部分。同时，新一轮技术革命正在如火如荼地进行当中，随着制造技术高速迭代，全球制造业均面临着巨大的升级压力，多个主要制造业国家提出了工业升级战略，产业博弈进入新时代。此外，国家安全始终是各个国家发展的核心战略，在总体国家安全观下国家安全战略也有了更丰富的内涵，面临着巨大的发展机遇，具有重大意义。材料科学发展在应对全球气候变化、制造业产业升级、国家安全等方面发挥不可替代的关键作用。现有的材料研发速度已经难以满足社会的发展需求，材料科学的研发方式本身也必须要做出变革，因此材料基因工程理念和方法应运而生。

材料与化学领域四大研究热点

1.Mxene在锂硫电池中的应用

首先，Mxene作为导电剂加入到锂硫电池的电极材料中，能够有效提升硫正极的导电性能，降低电极内部电阻，从而提高电极的输出功率和循环寿命。另外，Mxene本身也具有较高的储锂容量和耐化学腐蚀性能，因此可以作为锂硫电池负极材料的替代品，直接参与电池反应，提高锂离子电池的能量密度和循环寿命。近年来，有研究报道将Mxene作为锂硫电池负极材料，发现其具有较高的储锂容量和良好的循环性能，表现出良好的应用前景。

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2.一种稳定和多孔的金属有机框架的设计与合成

多孔金属有机框架（MOFs）是由金属离子（离子簇）和有机配体自组装形成的多孔晶体材料，具有极高的比表面积、可调控的孔径大小和化学活性等优异特性。具有分子设计的理念，MOFs已经广泛应用于气体吸附、储能催化、分离纯化等领域。

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3.钙钛矿发光二极管

钙钛矿发光二极管（Perovskite Light Emitting Diode, PLED）是基于钙钛矿半导体材料的发光二极管，近年来在半导体发光领域备受关注。相比传统的有机发光二极管，钙钛矿发光二极管具有高效率、高亮度、色彩纯度和稳定性等优异特性，是当前研究热点之一。随着PLED技术的不断发展和完善，其应用前景也越来越广阔。目前PLED已经在显示、照明、生物成像等多个领域得到了应用，并且也有望应用于智能穿戴设备、柔性显示器、虚拟现实等未来市场。总之，PLED的研究现状不断发展和完善，研究者们不断探索其结构设计、材料制备、光电性能及应用前景，相信随着技术的不断进步，PLED将会在未来发挥出更大作用。

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4.人工智能辅助材料合成

人工智能在材料设计方面的应用成为了研究热点。随着大数据、机器学习、深度学习等技术的不断发展，材料科学可以利用算法模拟来加速材料的发现和优化。在这一方面的应用包括高效光催化剂材料、具有优异热稳定性的聚合物材料等。通过人工智能在材料设计中的应用，可以为材料研究提供新思路和手段，推动材料科学的创新与发展。

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制造业产业升级背景下的材料科学发展

全球正处于在新的产业革命时代，正经历着百年未有之大变局。着力提升国家制造业基础是提升综合国力的重要支点，是“以不变应万变”的主要抓手。世界各国也因此纷纷启动了推进制造业发展的相关计划。例如，德国推进“工业 4.0”战略，美国尝试工业互联网和“创客”，日本也推出了新的经济增长战略以应对“第 4 次产业革命”。我国是全球制造业第一大国，也是唯一拥有完整产业链的国家，全球制造业发展与我国发展息息相关。材料科学是制造业发展与进步的关键基础，也是公认的制造业发展的瓶颈。因此，在制造业产业升级背景下，材料科学发展应从完成制造业产业升级和促进制造业结构改革两个方面发挥作用。

1、制造业产业升级

“一代材料一代产业”，各类产业升级离不开材料科学的进步。“提升产量、提升质量、提升效率、降低成本”的“三提一降”策略是贯穿制造业发展始终的产业核心战略。材料科学、新材料和相关技术能够帮助产业实现升级。例如，通过突破镍锰酸锂正极材料及电池有关技术，将目前占主流的动力和储能用磷酸铁锂电池体系替换为镍锰酸锂体系，电池能量密度将提升 40% 以上，每千瓦时成本可降低 20% 以上；或通过突破低密度钢、高性能车用钢的有关技术，替换现有钢材，在不提升其生产成本的前提下，提升其服役性能。

2、制造业结构改革

除了在现有产业角度不断提升之外，材料科学还应发挥基础科学的创新源头作用，改变我国材料工业和制造业现有的“大而不强”局面。逐步推动增材制造、先进熔炼和精密制造等材料相关的高端制造行业扩大产业规模，提升市场占比，形成从原材料到产品的完整产业链。

全球气候变化背景下的材料科学发展

能源清洁、低碳化趋势已经成为全球共识。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》中将“持续改善环境质量”单独成章，进行规划与布局。2021 年《中美应对气候危机联合声明》再次强调了气候变化带来的风险的紧迫性。在环境保护重要性和紧迫性[2]双重要求下，材料科学需要通过支撑新能源材料推广、废弃物回收和高污染产业替代 3 个方面发挥作用。

新能源材料

发展环境友好的新能源材料，其实质是通过环境友好的方式完成能量捕获、能量存储和能量使用过程。例如：

1、高性能永磁体材料和具有高光电转化效率的光伏材料等。这些高性能发电材料能够拓展人类从自然界捕获能量的渠道和效率，光伏技术是发展速度最快的清洁能源技术，能够满足未来太瓦级的能源需求。

2、太阳能电池技术。晶硅电池是成熟度最高的太阳能电池技术，兼具高效、稳定、安全等技术特点，近年来生产成本大幅下降，市场占有率达 90%。此外，金属卤化物钙钛矿太阳能电池在过去 10 年内取得了举世瞩目的发展。截至目前，小面积钙钛矿电池的认证效率达到 25.5%；钙钛矿/硅叠层电池的认证效率已达到 29.5%，其成为全球公认最具前景的新一代光伏器件。研发高效率、低成本、稳定、安全的太阳能电池是实现太阳能光伏发电广泛应用的技术基础。捕获的能量可直接并网使用或储存在各类储能材料（如二次电池、超级电容器、储氢材料）中。

3、电化学储能技术。近年来，电化学储能技术席卷消费类电子市场，并迅速进入交通等领域。锂离子电池能量密度高、电压高、成本低，是该类技术的代表；得益于电动汽车产业的迅速发展，水系锌基电池等新型储能电池研发工作近年来取得快速发展。此外，可再生能源的氢转化与存储技术是我国大力发展的技术路线。开发高容量电极材料、高活性催化剂，进一步提升电池稳定性、安全性，降低成本是储能领域的核心。在此基础上，通过广泛使用低电阻、低铁损的非晶变压器、非晶电机和软磁材料等节能材料，可进一步提升能量利用率，降低碳排放。

总之，材料科学的前沿技术正在不断涌现，这些技术的应用将推动材料科学的不断发展，并对各行业产生深远影响。期待未来材料科学的进一步发展，为人类社会带来更多新的突破性成果。

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