近日,由中科院大連化物所1109組鄧偉僑研究員和DNL21T3吳忠?guī)浹芯繂T領(lǐng)導(dǎo)的合作團(tuán)隊(duì),在尋找高比容超級(jí)電容器電極材料研究方面取得新進(jìn)展,成功地制備出同時(shí)具有高比表面積和高含氮量的導(dǎo)電共軛微孔高分子,相關(guān)成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, doi.10.1002/ange.201711169)雜志。
超級(jí)電容器作為一種新型環(huán)保儲(chǔ)能器件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)。由于其通過(guò)雙電層機(jī)理在電極上存儲(chǔ)大量電荷,所以尋找具有高比表面積、高導(dǎo)電的電極材料(通常是多孔碳材料),成為提高器件容量的關(guān)鍵。研究人員發(fā)現(xiàn)氮摻雜的碳材料可以通過(guò)氮原子引入贗電容,從而能存儲(chǔ)更多的電能;诘獡诫s碳材料的研究文獻(xiàn),高性能的電極材料需要同時(shí)具備高的比表面積和高的氮摻雜量,而這兩個(gè)因素在同一類(lèi)材料中通常相違背。在目前報(bào)道用于超級(jí)電容器的先進(jìn)電極材料中,最大比表面積一般未超過(guò)3000m2/g,同時(shí)具有高比表面的材料氮摻雜量通常小于5at%。
為攻克上述問(wèn)題,該合作團(tuán)隊(duì)跳出氮摻雜的碳材料范疇,以TCNQ(7,7,8,8-四氰基對(duì)醌二甲烷)為單體,在離子熱條件下聚合獲得一系列基于共價(jià)三嗪框架結(jié)構(gòu)的、高比表面和高含氮量的導(dǎo)電共軛微孔高分子,并將其應(yīng)用于超級(jí)電容器電極材料。其中,同時(shí)具有3663m2/g的超高比表面積和8.13%的高氮含量的導(dǎo)電共軛微孔高分子能夠獲得較高的比容量383F/g,明顯高于商用活性炭的比容量(100-200F/g),并且具有顯著的循環(huán)穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作首次得到了同時(shí)具有高比表面和高含氮量的導(dǎo)電共軛微孔高分子,為開(kāi)發(fā)性能更高的超級(jí)電容器電極材料提供了新的思路。
1109組長(zhǎng)期致力于共軛微孔高分子的模擬設(shè)計(jì)與合成應(yīng)用,開(kāi)發(fā)出不同應(yīng)用的共軛微孔高分子系列材料,如儲(chǔ)氫材料(Angew. Chemie. Int. Ed. 2010, 49, 3330),水處理材料(Energy & Env. Sci. 2011, 4, 2062; Sci. Rep. 2015, 5, 10155),二氧化碳捕獲與轉(zhuǎn)化材料(Nat. Commun. 2013, 4, 1960)。DNL21T3長(zhǎng)期致力于高比能、柔性化、微型化超級(jí)電容器開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)出系列二維材料,如石墨烯和摻雜石墨烯(ACS Nano 2017, 11, 2171; ACS Nano 2017, 11, 4009; ACS Nano 2017, 11, 4283;J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 4506), 黑磷烯(ACS Nano 2017, 11, 7284), MXene (ACS Nano 2017, 11, 4972), 聚合物和氧化物納米片(Adv. Mater., 2017, 29, 1602960;Adv. Mater. 2017, 1703034)。這次合作充分發(fā)揮了兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的長(zhǎng)處,共同圍繞一個(gè)重要研究方向,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)領(lǐng)域的完美結(jié)合,有望推動(dòng)微孔高分子與超級(jí)電容器交叉融合。
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201711169/abstract
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