材料学院廖耀祖教授团队在共轭微孔聚合物纤维及柔性可穿戴储能器件领域取得突破

近日,我校材料学院、纤维材料改性国家重点实验室(东华大学)廖耀祖教授团队在共轭微孔聚合物纤维柔性储能器件领域取得重要进展,相关成果以《氧化还原活性调控共轭微孔聚合物键接碳纳米管纤维用于高效柔性储能器件》(Conjugated Microporous Polymer Network Grafted Carbon Nanotube Fibers with Tunable Redox Activity for Efficient Flexible Wearable Energy Storage)为题,发表于国际知名期刊《材料化学》(Chemistry of Materials)。材料学院青年教师吕伟博士为论文第一作者,廖耀祖教授为通讯作者。

随着人们对可穿戴智能电子产品需求的不断增加,柔性可穿戴器件以其轻质、柔韧、灵活和高效等特点备受关注。与块状和薄膜器件相比,纤维状储能器件因其独特的一维结构而表现出优异的柔软性、可编织性、变形适应性和透气导湿等特点,是最具潜能的储能器件之一。然而,目前所制备的导电纤维材料很难兼备高能量密度、功率密度以及机械性能等要求,是该领域挑战性研究课题之一。共轭微孔聚合物(Conjugated Microporous Polymer, CMP)是一类由全共轭高分子网络围筑、自具孔结构的新兴功能材料,通过分子设计可额外引入电活性官能团,可充分发挥双电层和赝电容两种储能机制,是一类具有高比电容和高循环稳定性的电极材料。然而,CMPs粉末不溶不熔,难以加工成纤维并获得高性能纤维状储能器件。

基于以上挑战,作者利用课题组发展较成熟的Buchwald-Hartwig交叉偶联方法,选用三(4-溴苯基)胺为“核心”构筑单元,苯胺、吡啶和氨基蒽醌为“桥联”构筑单元,以共价键溴化处理的碳纳管纤维(CNF)为集流体,在CNF表面原位键接构筑得到高氧化还原活性的共轭微孔聚三苯胺(PTPA)网络,进而制备得到一系列电活性可调控的多孔纤维(CNF@CMPs)。

图1. CNF@CMP多孔纤维的设计合成

图2. CNF@CMP宏观纤维及微观形貌图: B) 500 μm, C) 100 μm, D) 10 μm, E) 1 μm, F) 500 nm, G) 20 nm, H) 200 nm, I) 50 nm

研究发现当单体浓度处于最适浓度时(0.625 mM),制备所得的CNF@PTPA具有良好的电化学性能和循环稳定性,其三电极体系下的比电容为670 mF cm-2 (电流密度为1 mA cm-2,0.5 M H2SO4),循环8000次后仍可保持70%的起始电容;进而组装成对称纤维状柔性超级电容器的能量和功率密度分别为18.33 μWh cm-2和1.25 mW cm-2,弯曲10000后(135o)的电容保持率为84.5%。CNF@PTPA较高的电化学性能和优异的柔韧稳定性能得益于CNF的高电导率和柔韧性,PTPA的微孔特征和强氧化还原特性以及两者之间电子传输的协同效应。

图3. CNF@PTPA多孔纤维电化学能源储存性能

该工作首次报道了CMP宏观纤维材料的制备,通过系统调控单体类型、组分设计以及热处理等工艺,成功制备了具有优良电化学性能、机械柔韧性能和循环稳定性的CMP多孔纤维,为高能量密度纤维状能源存储材料的高效设计提供了新策略。以上研究得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市曙光人才计划、上海市“一带一路”国际联合实验室等资金资助。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c02089 

撰写:吕伟