陳立桅

中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215123

二維有序介孔聚合物/石墨烯納米片的制備示意圖。

自2004年石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，以其為代表的二維納米材料得到了快速發(fā)展1,2。由于它們具有優(yōu)異的電學、光學、力學、熱學和化學性能，有望在高性能電子器件、能源存儲(如電池、超級電容器)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用3。然而，由于片層間范德華力的存在，導致二維納米片容易堆疊，比表面積和活性位點大大降低。而原位生長活性組分于二維材料表面來制備三明治結(jié)構(gòu)的復合納米片，可以抑制片層的堆疊，并大大提高材料的性能4。同時，引入介孔不僅可以增加材料的比表面積，緩沖電極的體積膨脹，而且能夠提高電解液離子的擴散和器件的電化學性能5。因此，發(fā)展二維有序介孔復合納米材料能夠集成二維材料與介孔材料各自的優(yōu)點，克服它們的缺陷，將其應(yīng)用于微型超級電容器，可以減小離子傳輸曲折度，提高超級電容器的功率密度；并且能夠增加電荷存儲，提高超級電容器的能量密度。但是，目前已有報道的均為面內(nèi)球形孔結(jié)構(gòu)的二維介孔納米材料6-8，而更有利于電解質(zhì)離子傳輸?shù)木哂忻鎯?nèi)平行柱狀孔的有序介孔納米片的可控制備仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

最近，上海交通大學麥亦勇教授課題組和中國科學院大連化學物理研究所吳忠?guī)浹芯繂T課題組合作，發(fā)展了一種普適的界面自組裝策略，制備出多種具有面內(nèi)平行柱狀孔的有序介孔聚合物/石墨烯復合納米片，包括聚吡咯/石墨烯、聚苯胺/石墨烯、聚多巴胺/石墨烯，并將其應(yīng)用于全固態(tài)平面微型超級電容器，相關(guān)結(jié)果近期發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition雜志上9。該工作以P123嵌段共聚物為平行柱狀介孔模板劑，氧化石墨烯(graphene oxide)為二維基底，利用它們之間的氫鍵作用力，成功制得多種有序介孔聚合物/石墨烯復合納米片。這些納米片具有面內(nèi)平行柱狀的有序介孔，大小為11-12 nm，厚度為25-27 nm，同時結(jié)合了高電化學活性的贗電容聚合物和高導電性的雙電層石墨烯的優(yōu)勢。獲得的微型超級電容器表現(xiàn)出高體積比容量和能量密度，同時具有優(yōu)異的機械柔性和串并聯(lián)集成性能。

此項工作為可控制備二維有序介孔復合材料提供了新思路，為設(shè)計組裝高比能儲能材料和器件提供了新策略。