廖耀祖教授课题组《Chem. Mater.》:共轭微孔聚合物纤维状柔性可穿戴式储能器件

yiwang

随着人们对可穿戴智能电子产品需求量的不断增加，柔性可穿戴式器件以其轻质、柔韧、灵活和高效等特点受到人们的广泛关注。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的特点，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通常难以满足能量密度、功率密度以及机械性能兼具的要求，是该领域挑战性研究课题之一。共轭微孔聚合物（Conjugated Microporous Polymers, CMPs）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基质，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，难以加工成纤维并制备得高性能纤维状超级电容器。
       基于以上挑战，东华大学材料科学与工程学院、纤维材料改性国家重点实验室廖耀祖教授团队利用课题组发展成熟的Buchwald-Hartwig交叉偶联方法，采用三(4-溴苯基)胺为“核”构筑单元，苯胺、吡啶和氨基蒽醌为偶联构筑单元，在共价键溴化处理的碳纳管纤维表面原位合成得不同电化学活性的富氮共轭微孔聚三苯胺（PTPA）网络，制备得到一系列聚合物功能多孔纤维（CNF@CMPs）。

共轭微孔聚合物纤维

图1 CNF@CMPs纤维的设计合成

       研究表明，当单体浓度处于最适浓度时（0.625 mM），制备所得的CNF@PTPA3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次后可仍然保持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18.33μWh cm-2和1.25 mW cm-2，弯曲10000后（135o）的电容保持率为84.5%。CNF@PTPA3较高的电化学性能和优异的柔韧稳定性能得益于PTPA3的微孔特征和强氧化还原特性及其电子传输协同效应，以及CNF的高电导率和柔韧性。该研究工作为高性能纤维状能源存储多孔纤维材料的理性设计提供了新思路。

共轭微孔聚合物纤维

图2 CNF@CMPs纤维状储能器件组装

       研究以“Conjugated Microporous Polymer Network Grafted Carbon Nanotube Fibers with Tunable Redox Activity for Efficient Flexible Wearable Energy Storage”为题在线发表于国际知名期刊Chemistry of Materials (DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c02089)。东华大学系该论文第一完成单位，青年教师吕伟博士为第一作者，廖耀祖教授为唯一通讯作者。
       该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市曙光人才计划、上海市自然科学基金、上海市“一带一路”国际联合实验室、中央高校基本科研业务费重点项目等经费的支持。
       论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c02089
       课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/liao_yaozu


       文章来源：东华大学
      廖耀祖，男，江西人，同济和UCLA联合培养博士。现任东华大学特聘研究员、博士生导师、独立PI，兼任德国柏林工业大学洪堡学者。曾获得德国洪堡基金、欧盟玛丽居里基金、英国牛顿基金特别资助以及上海市浦江人才计划。先后在美国、英国、德国等世界知名高校加州大学洛杉矶分校、布里斯托大学、柏林工业大学开展学术研究。主要研究领域为导电共轭聚合物结构设计、纳米化及其环境功能应用，导电聚合物合金膜研究成果已被全球分离膜制造商、分离设备供应商Water Planet公司产业化。已发表SCI论文近40篇，以第一或通讯作者在Nano Letters、Advanced Functional Materials、ACS Nano和Chemical Science等国际重要期刊发表SCI论文20余篇，其中影响因子大于9的论文7篇，被SCI他引700余次。申报了美国、中国以及世界专利23件，已获授权专利13件。另外，在国际学术会议上发表论文10篇，做口头报告5次（邀请报告2次）。承担国际、国家及省部级课题14项，包括国家自然科学基金5项。