北工大《JMCC》綜述：鐵電材料的熔鹽法構建策略及在能源領域的應用

熔鹽法是以熔融鹽作為高溫液相溶劑的一類化學合成方法，特殊的熔鹽反應環境能夠促進原料溶解、加速反應物擴散，有利於結構基元實現定向組裝，從而構建出尺度和形狀可控的鐵電材料，並以此為基礎在能源領域獲得重要應用。

近期，北京工業大學材料與製造學部、新型功能材料教育部重點實驗室侯育冬教授團隊基於課題組工作與國內外相關研究最新進展，系統分析並總結了熔鹽法在控制各類鐵電材料尺度、成分、形貌以及晶體取向方面的獨特作用與反應機理，並分類介紹了相關技術在能源領域中的代表性應用。論文以「A construction strategy of ferroelectrics by the molten salt method and its application in the energy field」為題發表於英國皇家化學會重要學術期刊J. Mater. Chem. C上。

論文連結：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/tc/d0tc01924k

對於功能氧化物而言，產物自發生長的形貌與本徵晶體對稱性密切相關，而熔融鹽作為高溫液相溶劑促進離子的定向擴散及特定形貌的生成。通常，化學式AxByOz氧化物中[BOn]多面體基元以共邊或者共頂形式相互連接，其中具有強各向異性結構（如單斜、四方鎢青銅、鉍層）的氧化物易於在熔鹽中自發生長成低維形貌（如一維棒狀，二維片狀等）。然而，對於重要的電功能材料——鈣鈦礦結構氧化物，因自身高度對稱性的晶體結構，在非受限條件上會自發生長為立方塊狀或者球狀形貌以降低體系能量。

為了實現面向能源器件應用的特殊形貌鈣鈦礦氧化物鐵電材料的高效合成，一種以低維形貌前驅體為模板的拓撲熔鹽合成法近年來得到快速發展。基於熔鹽化學反應熱力學與動力學原理，在拓撲化學反應過程中，模板中局部範圍內[BOn]多面體基元進行重組，促使鈣鈦礦產物實現對預設模板形貌的高度繼承。由於鐵電體的電學特性與形貌和尺度有重要關係，以拓撲熔鹽合成法為核心構建的特殊形貌鈣鈦礦型鐵電材料在納米能源領域獲得廣泛應用（圖1），包括製備可用於微納電子器件的納米鐵電單晶體、合成籽晶模板誘導生長具有優異壓電性能的織構陶瓷、發展滿足柔性壓電能量收集器與嵌入式儲能電容器用取向與多層復相材料、以及構建高品質的無鉛壓鐵電細晶陶瓷與器件。在這些能源領域應用中，結合鐵電材料形貌調製的功能器件設計方法也對相關電學性能提升起到重要作用。此外，熔鹽法合成的鐵電材料在鐵電催化、鐵電光伏以及透明光電器件等相關領域也展示出重要的應用潛力。

圖 1 熔鹽法製備鐵電材料合成機理及應用前景

本文為熔鹽法合成特殊形貌鐵電體及新能源器件應用提供了系統分析與發展動態展望。北京工業大學博士研究生付靖為第一作者，侯育冬教授為通訊作者。該團隊近十餘年來持續在熔鹽化學合成機理及鐵電能源器件應用領域開展研究工作，相關成果發表於Nano Energy、ACS Appl. Mater. Interfaces、Cryst. Growth Des、Chem. Commun、CrystEngComm、J. Am. Ceram. Soc、Appl. Phys. Lett、J. Mater. Sci等國際知名期刊，並出版《電子陶瓷化學法構建與物性分析》學術專著。上述研究工作得到國家自然科學基金、北京市自然科學基金、北京市高校創新團隊和北京市百千萬人才計劃等項目的資助。

*感謝侯育冬教授團隊對本文的大力支持。