雲南大學林欣蓉團隊:新型原位界面聚合合成超薄聚苯胺用於有機電極

2021-02-13 材料科學前沿

近日，雲南大學化學科學與工程學院林欣蓉課題組開發了一種基於過渡金屬催化的界面合成超薄聚苯胺交聯網絡結構的新型合成方法，並通過兩步序列反應原位獲得孔徑可調節的多孔自支撐膜。該膜可直接作為一種無添加劑、無粘合劑、一體化的微米級超級電容器電極，不僅避免了傳統電極易溶解和破碎導致的容量降問題，還因其超薄和交聯結構獲得了超高的比容量(435 F/g)和優異的循環性能(18000次）。該比容量相對於線性聚苯胺電極提高了2倍以上，也是目前已報導的基於電極整體質量所獲得的最高比容量。將該成果以「Interfacial Growth of Free-Standing PANI Films: Toward High Performance All-Polymer Supercapacitors」為題發表在Chemical Science 上（自然指數期刊，影響因子：9.346, DOI. 10.1039/D0SC05061J）。論文第一作者為科研助理鍾孚瑤，第一通訊單位為雲南大學，通訊作者為化學工程與科學學院林欣蓉副教授，共同通訊作者為復旦大學陳茂研究員。

作為一種高性能的能量存儲裝置，超級電容器在各類移動電源和可再生清潔能源載體中越來越重要。與傳統的無機電極相比，導電聚合物如聚苯胺等在表現光電磁性質的同時具有豐富的官能團可調控性與加工性能，成為一種高效、低成本的具有潛力的有機電極。但長期以來，這類有機電極具有比容量低的特點，同時因在充放電循環中質子化/去質子化所帶來的結構變化而表現出巨大的體積與張力改變，通常在一千個充放電循環後即出現大幅電容衰減，存在難以獲得高能量密度和長循環壽命的挑戰。

合成方法可從分子水平調控導電聚合物的化學結構，從而進一步從根本上影響聚合物有機電極的理化性質與形態。因此，大量研究致力於開發新型的合成方法以獲得高性能的導電聚合物。傳統合成聚苯胺的方法基於自由基正離子引發的鏈增長構建C-N鍵，但這種方法易導致C-C或N-N成鍵副反應，從而嚴重影響導電聚合物性能。過渡金屬催化的Buchwald-Hartwig反應具有良好的區域選擇性，可有效避免C-C及N-N鍵的生成，但目前為止只有一級胺與二級胺的反應被報導，基於可構建交聯網絡結構的三級胺與末端芳基胺的合成方法尚未被開發，且其作為有機電極的應用性質亦尚未有研究。　　

該工作獲得國家自然科學基金、雲南大學引進人才啟動基金、教育部長江學者和創新團隊發展計劃資助。

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/sc/d0sc05061j#!divAbstract

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