东华大学杨升元副教授-朱美芳教授在聚吲哚纳米纤维的储能应用上取得一系列进展
一般电活性聚合物用作电极材料时，常常发生溶胀或收缩，并且循环期间极有可能发生降解，因此导电高分子循环期间的长期稳定性是一个有待突破的难题。而聚吲哚与常见导电高分子（如：聚苯胺、聚吡咯、聚咔唑及其取代的衍生物）相比，具有相对优异的热稳定性、高氧化还原活性、良好的化学稳定性和更慢的降解速率，是作为超级电容器等储能装置电极材料的良好选择。
一直以来，聚吲哚的合成方法主要有化学氧化合成法和电化学合成法。这两种合成方法所用到的试剂（如：乙腈、氯仿）昂贵且对环境具有污染性，一定程度上限制了聚吲哚的合成及应用，所以如何“绿色”、低成本、高效地合成聚吲哚是挡在聚吲哚实际应用前的一道障碍。
基于上述问题，东华大学杨升元副教授-朱美芳教授课题组将乙醇作为吲哚单体的溶剂，将过硫酸铵（APS）和水的混合物作为氧化剂，在0℃及惰性气体氛围下合成了聚吲哚，避免了传统有毒溶剂的使用，并且合成的聚吲哚具有良好的热稳定性，在500℃下，失重率仅为24%。该“绿色”合成方法为聚吲哚在能源、生物医用等领域的应用奠定了基础。
(绿色合成得到的聚吲哚复合纳米纤维形貌)
在此基础上，本课题组以不锈钢纱布作为电极的基体，通过静电纺丝一步法制备聚吲哚/碳纳米管复合纳米纤维电极，所组装的对称柔性超级电容器性能得到大幅提升。采用三电极测试体系，以Ag/AgCl作为参比电极，当电流密度为1.0A g-1时，聚吲哚/碳纳米管复合纳米纤维电极的比电容量可达476F g-1。此外，超级电容器具有较高的功率密度、能量密度以及较好的循环稳定性，充放电循环2000次后，电容保持率达95%。
(静电纺丝一步法制备聚吲哚纳米纤维基电极并组装柔性超级电容器示意图)
为了进一步提升聚吲哚/碳纳米管复合纳米纤维作为电极的性能，课题组将静电纺和静电喷这两种技术进行结合，通过调控电纺与电喷针头之间的距离来控制复合材料的微观形貌，从而实现了两种技术及两种材料的协同效应，而不仅仅是简单叠加，所制备的三维海绵状纳米材料首次在柔性超级电容器上得到应用。当两针头间距为8cm时，将所得到的纳米海绵作为电极材料，使得所组装的超级电容器性能进一步提升，因为纳米海绵的三维骨架大大提升了电极材料的比表面积。采用三电极测试体系，以Ag/AgCl作为参比电极，当电流密度为1.0A g-1时，聚吲哚/碳纳米管复合纳米海绵电极的比电容量可达555F g-1。该工艺不仅为提升聚吲哚纳米纤维电极材料的性能提供了一种简单的方法，更为零维的纳米颗粒（如：V2O5、Co3O4等过渡金属氧化物、碳基颗粒和铜等导电纳米金属球）和一维的纳米纤维（如：聚吲哚、聚吡咯等导电高分子纳米纤维）有效地结合，从而构筑成高性能的海绵状三维结构的电极材料提供了一种可控的途径。
(基于电纺/电喷协同效应的三维纳米骨架结构及其性能比较)
综上，本课题组实现了从聚合-纺丝-器件的系统研究，为聚吲哚纳米纤维在超级电容器等储能器件上的应用提供了参考。
此一系列研究工作最近陆续发表在Materials Letters、Electrochimica Acta、Journal of Materials Chemistry A（获选为当期封面）上，东华大学材料学院及纤维材料改性国家重点实验室留学生Mike Tebyetekerwa（来自乌干达）是论文的第一作者，杨升元副教授和朱美芳教授为共同通讯作者。该项工作得到上海市晨光计划、上海市科技创新行动计划、国家自然科学基金和教育部创新团队的资助。
参考文献：
1. M. Tebyetekerwa, S. Yang*, M. Zhu* et al., Mater. Lett., 2017, 209, 400-403.
2. M. Tebyetekerwa, S. Yang*, M. Zhu* et al., Electrochim. Acta, 2017, 247, 400-409.
3. M. Tebyetekerwa, S. Yang*, M. Zhu* et al., J. Mater. Chem. A, 2017, DOI: 10.1039/C7TA06242G (Back Cover)
论文链接：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167577X17312612
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001346861731455X
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/ta/c7ta06242g#!divAbstract
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