東華大學劉天西團隊《自然·通訊》：冷凍聚合策略構筑耐復雜形變導電聚合物復合水
2020-01-11
易絲幫
近日，東華大學劉天西團隊在Nature Communications上發表了題為“Cryopolymerization enables anisotropic polyaniline hybrid hydrogels with superelasticity and highly deformation-tolerant electrochemical energy storage”的研究論文。論文提出了冷凍聚合新策略構筑了耐復雜形變導電聚合物復合水凝膠材料，基于該導電聚合物復合水凝膠的超級電容器具有超高的可拉伸、可壓縮、可彎曲性能，在復雜形變條件下具有優異的容量保持率。該論文通訊作者為劉天西教授和張超研究員，第一作者為東華大學博士生李樂。隨著柔性可穿戴電子設備的飛速發展，柔性耐形變儲能器件的研究成為熱點和前沿領域。可穿戴耐形變超級電容器的制備依賴于獲得合適的柔性電極。如何提高電極材料的電化學性能，并且使其具備耐復雜形變的優異力學性能是柔性超級電容器領域中需要解決的重要問題。導電聚合物以其易于制備、價格低廉、高比容量以及化學穩定性好等優點，成為理想的超級電容器電極材料，然而，導電聚合物電極材料普遍存在抗形變能力不足、循環壽命差等瓶頸問題，難以滿足新型柔性耐形變超級電容器的迫切要求。鑒于此，劉天西團隊提出了冷凍聚合新策略實現了苯胺單體在冷凍條件下的原位聚合反應，一步實現了聚乙烯醇蜂窩狀凝膠網絡和聚苯胺三維凝膠網絡的納米復合和高效界面作用，獲得了高強高韌的聚乙烯醇-聚苯胺復合水凝膠材料。如圖所示，冷凍聚合策略利用溶解有苯胺單體和引發劑分子的聚乙烯醇水溶液為前驅體，采用單向冷凍技術以冰為模板將聚乙烯醇組裝成蜂窩孔結構，再經過苯胺單體的冷凍聚合過程得到了聚乙烯醇-聚苯胺復合水凝膠。該聚乙烯醇-聚苯胺復合水凝膠經過多次300%拉伸應變、60%壓縮應變和全彎曲過程，均可輕易回復至初始形狀，同時具有高強度和耐復雜形變能力。冷凍聚合策略在構建聚乙烯醇-聚苯胺復合水凝膠微觀結構調控上頗具特色，該復合水凝膠由取向結構聚乙烯醇微孔道和三維連續的聚苯胺納米骨架構成。三維連續的聚苯胺納米骨架為電子傳導提供了快速通道，而取向結構聚乙烯醇微孔道和聚苯胺納米骨架所構成的雙連續凝膠網絡結構顯著改善了電解液的離子擴散動力學過程。基于該聚乙烯醇-聚苯胺復合水凝膠的全固態超級電容器具有高比容量、高能量密度和優異的循環性能，在復雜形變條件下仍可維持穩定的電化學性能。Le Li, Yu Zhang, Hengyi Lu, Yufeng Wang, Jingsan Xu, Jixin Zhu, Chao Zhang*, Tianxi Liu*. Cryopolymerization enables anisotropic polyaniline hybrid hydrogels with superelasticity and highly deformation-tolerant electrochemical energy storage. Nature Communications, 2020, 11(1), 62.來源：高分子科學前沿
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