西安交大教授在MXenes二维材料能量转换和存储性质高通量结构计算方面取得重要进展

热电转换材料是一类将热能可以直接转换为电能的特殊能量转换材料，长久以来作为最稳定的可长期工作的主要电能产生方式，基于放射热同位素热效应的核电池在NASA长周期太空探索飞船中得到广泛应用，例如阿波罗登月飞船、旅行者号探测器以及卡西尼土星探测器等。目前，热电材料的转换效率一般都在5%以下，寻找热电品质因子更高的热电转换材料可以极大的提升热电转换效率。二维材料由于晶体结构受到空间维度缩减产生的限域效应影响，电子能带结构和声子热运输方面都表现出与传统三维晶体材料完全不同的属性，从而为进一步提升材料热电品质因子提供了更大的调控空间，成为热电材料研究领域国内外关注前沿。

近年来,电气学院肖冰教授主要在针对低维晶体材料电-热运输及储能性质理论模型开展研究，发展了针对低维材料电子和声子运输性质的高通量计算方法，针对目前试验已知或者理论预测稳定存在的近400种双过渡金属MXenes二维材料体系的电导率、热导率和热电品质因子进行了系统性的理论预测，成功发现了热电品质因子在2.0以上的基于Cr2TiC2Tx一类高性能MXenes二维材料热电体系(The Journal of Chemical Physics Letters, 10, 5721-5728 (2019))；对以Ti2C和Mo2C等为代表的过渡金属碳化物二维材料电子和晶格声子传导性质开展了基于高精度量子力学理论计算，发现了这类二维材料不同于石墨烯的电子-光频声子主导的耦合散射机制，解释了MXenes二维材料普遍出现高电导率和低晶格热导率产生的关键物理机制(Journal of Physics D: Applied Physics, 54, 015301 (2020) )。优选其中35种代表性的MXenes二维材料，进一步研究其在电化学储能方面的性能，发现了这一类材料在高功率密度Li离子电池储能方面优异的性质(Nanoscale, 12, 24510-24526 (2020) )，而在Al离子电池方面具有的高储能密度的特性(Journal of Physical Chemistry, 124, 25769-25774 (2020))。

肖冰教授课题组围绕基于MXenes二维材料储能及能量转换性质第一性原理高通量结构设计与性质计算、纳米尺度材料强电场下击穿和结构破坏物理机制电动力学耦合分子动力学算法开发及其模拟、大尺度有限元密度泛函理论算法研究HfO2纳米膜铁电相转变机制等主要研究方向开展底层算法开发与应用导向性质理论预测相互结合的学科交叉研究，相关研究在《美国科学院院报》（PNAS）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie）、《材料学报》（Acta Materialia）、《物理评论快报》（Physical Review Letters）、《物理评论B》（Physical Review B）、《材料快报》（Scripta Materialia）、《物理化学快报》（Journal of Physical Chemistry Letters）等国际期刊发表SCI论文100余篇，多篇入选ESI高被引/热点论文。

11月16日，肖冰教授入选科睿唯安(Clarivate Analytics) 2021年交叉学科“全球高被引科学家”名单，标志着西安交大在跨学科的材料物理化学性能计算方面得到国际认可。根据科睿唯安遴选规则，入榜科学家需要在过去十年间发表多篇高被引论文，且被引频次在Web of Science中位于同学科的前1%，彰显了他们在同行中的重要学术影响力，是衡量一个国家、地区或学校科研实力和学术影响力的重要指标。

西安交通大学电气工程学院近年来依托于电气学科的传统优势基础，提出了“电气+”的发展战略，大力开拓新型交叉学科研究领域，积极倡导电气与物理、化学、生物和材料等学科的有机融合和交叉，建立了新型储能与能量转换纳米材料研究中心，汇聚了一批跨学科领域的青年拔尖人才开展前沿科学探索。2021年，西安交通大学电气学院首次有学者入选“全球高被引学者”名单，标志着近年来学院高度重视的学科交叉融合已经初见成效，进一步巩固了西安交大电气一流学科领先地位。