近日，西南交通大學材料科學與工程學院楊維清教授團隊在納米能源領域國際著名期刊上發表系列研究成果。
柔性固態超級電容器作為電池與傳統電容器之間的一種新型儲能裝置，不但兼具了傳統超級電容器具備的循環壽命長、充放電速率快、環保、功率密度高、安全性高等優點，而且還具有出色的力學性能。但如何製備出兼具高電化學性能且優異力學性能的高性能電極材料一直是研究人員面臨的一個巨大挑戰。目前，碳材料，過渡金屬氧化物和導電聚合物等材料由於具備出色的電學、力學性質，已經被廣泛應用於柔性固態超級電容器的高性能電極材料的製備。其中，分子剪切技術和超分子策略能夠在很大程度上分別解決電極材料能量密度低和力學性能差的問題，已經成為目前超級電容器電極材料領域的研究熱點。
「分子剪刀」——碳納米材料可控化構建
碳納米材料對於現代科技技術的發展至關重要。納米金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨烯和碳量子點因其獨特的電學、力學、光學、熱學和化學性質受到越來越多的關注，這些獨特的性質為能源、傳感以及環境修復等領域的發展鋪平了道路。目前，分子水平的可控構建被認為是影響碳納米材料結構的關鍵因素之一。眾所周知，表面工程是一種提高碳納米材料性能並拓展其應用領域不可或缺的基礎手段。遺憾的是，目前還沒有一種簡便和通用的方法來定製具有理想特性的不同尺寸的碳納米材料。本文提出的分子剪刀剪切策略不僅在分子水平上成功實現不同維度碳納米材料的可控化構建，而且為碳材料的革新作出巨大的貢獻。
在該校材料學院楊維清教授、張海濤副教授及加州大學洛杉磯分校陳俊教授的共同指導下（通訊作者），材料學院2018級碩士生王慶通過分子剪刀剪切策略實現不同維度碳納米材料的可控化構建，並對它的裁剪機理進行了詳細的闡述。不同於目前廣泛研究的表面修飾技術，他們採用分子剪刀打開碳材料的表面，實現分子尺度上的裁剪。在一定的溫度條件下，鋅蒸氣和鎂蒸氣會進入碳材料的內部，一旦遇到二氧化碳就會形成一把分子剪刀，進而實現碳納米材料的可控裁剪。測試表明，分子剪刀作用下的碳納米材料不僅擁有高的比表面積，而且擁有適宜的孔徑分布。在PVA/Na2SO4凝膠電解質體系中，器件展現出4.63 mWh cm-3的能量密度（對應功率密度為3520 mW cm-3）。該項以西南交通大學為第一單位取得的研究成果 「Tailoring Carbon Nanomaterials via a Molecular Scissor」發表在國際著名期刊Nano Today (IF=16.907)上。該成果得到了國家自然科學基金、西南交通大學和材料學院的大力支持。
「超分子策略」——高性能聚合物薄膜電極
人類社會正在闊步邁入物聯網（IoTs）時代。作為IoTs的重要組成部分，可穿戴生物電子器件可以為健康監測和人際交流提供堅實保障。可以預見，在不久的將來，可穿戴生物電子器件的數量將會呈爆發式增長。但是傳統的中央供能系統無法滿足持續增長的分布式可穿戴電子器件的能量需求，因此，分布式能源方案的開發迫在眉睫。基於這一背景，可穿戴固態超級電容器應運而生。可穿戴固態超級電容器的電化學性能主要取決於電極材料。時至今日，開發高強度、大面積、自支撐的薄膜電極仍然是橫亙在研究者面前的難題，這也是可穿戴固態超級電容器的商業化應用的瓶頸所在。
近日，該校材料學院楊維清及張海濤團隊利用超分子策略結合簡單的刮塗工藝，實現了高強度，大面積，自支撐的聚苯胺薄膜電極的設計和製備，並成功將其運用到了電化學能量存儲當中。這種聚苯胺薄膜力學性能優異，斷裂強度高達33.7 MPa， 斷裂伸長率為17.8%。結合紫外冷光加工技術和自流延成型策略，研究人員進一步製備出了基於聚苯胺薄膜的可穿戴固態超級電容器。這種超級電容器展現出高達154.4 mF cm-2的面電容和1.91 mWh cm-3的能量密度（對應功率密度為42.55 mW cm-3）。該工作為可穿戴電子器件的供能問題提供了新思路。
相關研究成果以「An Ultrathin Robust Polymer Membrane for Wearable Solid-State Electrochemical Energy Storage」為題發表在國際高水平期刊《Nano Energy》(IF=16.602)上。西南交通大學材料學院博士生儲翔為本文第一作者，楊維清教授和張海濤副教授為本文通訊作者。該成果得到了國家自然科學基金和四川省科技廳相關項目的資助。（通訊員：西南交通大學王慶 儲翔）