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食蟲植物是植物界中一個(gè)特殊的類群，它們自身可以光合自養(yǎng)，同時(shí)又可以捕捉昆蟲以補(bǔ)充營養(yǎng)。在不同的生存環(huán)境下，不同的食蟲植物進(jìn)化出了不同的捕蟲習(xí)性。其中，水生食蟲植物貍藻進(jìn)化出了捕鼠器型捕蟲器，利用其微型囊狀腔室的快速膨脹來產(chǎn)生壓強(qiáng)將食物捕獲。這種精巧的結(jié)構(gòu)保證其能在缺乏N和P等營養(yǎng)物質(zhì)的環(huán)境中生存。受貍藻利用壓差捕食行為的啟發(fā)，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院與汽車學(xué)院合作，利用超聲場作用下帶殼囊泡的空化效應(yīng)，模仿了貍藻的獵物捕食過程，實(shí)現(xiàn)介孔碳?xì)?duì)氧化釩納米顆粒主動(dòng)封裝，避免了苛刻的高溫還原過程，制備了VOx@C 卵黃殼納米球，應(yīng)用于鋰硫電池隔膜，通過捕集和催化轉(zhuǎn)化多硫化物，有效抑制了多硫化物的穿梭效應(yīng)，制備了高性能的鋰硫電池。9月30日，這一研究工作以“Biomimetic Synthesis of VOx@C Yolk-Shell Nanospheres and Their Application in Li-S Batteries”為題發(fā)表于國際材料科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials ）。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)介孔碳?xì)ぃ℉MCS）具有高固有頻率和優(yōu)越的機(jī)械性能，在超聲驅(qū)動(dòng)下保持其完整性并會(huì)快速非對(duì)稱地膨脹和收縮，在球殼的內(nèi)外產(chǎn)生周期性的巨大壓力差。同時(shí)氧化釩納米顆粒與碳?xì)そ榭卓椎乐g的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生阻尼力，非對(duì)稱膨脹收縮過程使得納米顆粒進(jìn)入碳?xì)さ淖枘崃σ人鼈兲右輹r(shí)小。因此與自發(fā)熱力學(xué)過程相反，在超聲能量持續(xù)輸入下，介孔碳?xì)ぶ鲃?dòng)將氧化釩納米顆粒逆濃度梯度封裝到殼內(nèi)，合成了VOx@C 卵黃殼納米球，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算表明該過程與貍藻的捕食過程一致。此外，通過對(duì)超聲驅(qū)動(dòng)過程的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)材料在碳?xì)け砻婊騼?nèi)表面生長。

該工作為開發(fā)卵黃殼材料合成提供了新的物理途徑，有效避免了傳統(tǒng)卵黃殼材料高溫高壓的制備方法和低的原料利用率，也可以應(yīng)用于在介孔碳?xì)?nèi)部封裝其他氧化物，如WO3，CeO2 和 Nb2O5等，該技術(shù)在能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)中具有非凡的潛力。

該論文的第一作者是同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院博士生紀(jì)明澤與汽車學(xué)院博士生倪潔，通訊作者為同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院高國華副教授、吳廣明教授和汽車學(xué)院肖強(qiáng)鳳教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市 2020 年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)項(xiàng)目的支持。