陝師大雷志斌《ACS AEM》納米管助力超高性能超級電容器

導讀：本文研究了一種在柔性碳纖維布(TC)基底上用模板輔助電化學聚合法製備垂直生長聚 3-4乙烯二氧噻吩(PEDOT)納米管的簡便方法。PEDOT納米管與TC襯底之間強大的界面相互作用不僅為雜化產物提供了良好的結構完整性和優異的導電性，而且還創造了連續的三維離子通道和導電通道。

與PEDOT納米粒子和納米纖維相比，PEDOT納米管作為超級電容器電極更有吸引力，因為其有趣的中空結構可以作為許多離子擴散通道，從而使反離子容易穿透聚合物壁。儘管反向微乳液聚合已被開發用於生產長度超過10 μm的PEDOT納米管，42單個PEDOT納米管的導電性僅為10-3 Scm-1。另外，也有報導稱PEDOT納米管是將EDOT聚合在氧化鋁多孔膜中。AAO模板膜的厚度(1~2 μm)很大程度上限制了納米管的長度。此外，為了支持納米管，AAO模板不能被移除。因此，製備均勻的PEDOT納米管的簡便而有效的合成路線還有待開發。此外，將PEDOT納米管與導電襯底集成以製造獨立電極對柔性儲能設備來說仍然具有挑戰性。

近日，陝西師範大學應用表面與膠體重點實驗室雷志斌、牛斐等研究人員報導了通過電化學沉積技術在碳纖維上製備珊瑚狀PEDOT納米管陣列。相關工作以「Coral-like PEDOT Nanotube Arrays on Carbon Fibers as High-Rate Flexible Supercapacitor Electrodes」為題發表在國際著名期刊《ACS Applied Energy Material》上。

論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsaem.0c01202

本文使用生長在紡織碳布上的氧化鋅納米線作為犧牲模板。在ZnO納米線上聚合3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)單體並隨後進行酸蝕刻生成分層的TC@PEDOT雜化物，該雜化物由垂直的PEDOT納米管陣列牢固地粘附在單個碳纖維上。良好的結構完整性使TC@PEDOT電極具有良好的電導率(790 Sm-1)和優異的柔性，在彎折不同角度後，電極電導率幾乎沒有發生任何變化；即使在彎折和扭曲10000次後，電極的電導率依然保持92%以上，這表明PEDOT納米管緊緊的依附在每根碳纖維上；更重要的是負載PEDOT納米管後，電極的應變急劇增大，進一步增強了電極的柔性。

在循環伏安過程中，即使在1 V s-1的高掃速下，循環伏安曲線依舊呈現良好的矩形，在每個掃速下0.5 V處的特定電流密度之間呈現線性關係，這表明該電極具有良好的倍率性能。此外，TC@PEDOT複合材料上的PEDOT納米管在1.0 M H2SO4電解液中提供了184 F g-1的特定電容(理論電容為210 F g-1)，並在10 000圈循環後擁有88%的電容保持率。使用TC@PEDOT電極和PVA/H2SO4凝膠電解質構建的固態超級電容器具有高倍率能力，其弛豫時間常數(τ0=0.96s)非常接近於H2SO4水溶液電解質(τ0=0.87s)。

綜上所述，作者所開發的策略可廣泛應用於導電聚合物的納米陣列結構的合成，希望為開發高性能儲能器件提供新的機會。

圖1：TC@PEDOT電極的形貌表徵

圖2：TC@PEDOT電極的透射表徵

圖3：TC@PEDOT的結構表徵

圖4：TC@PEDOT在三電極中的電化學性能

圖5：TC@PEDOT在水系H2SO4電解質和PVA/H2SO4電解質中的電化學性能對比

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

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