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

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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）。

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（135^o）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。

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

来源：东华大学材料学院

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