碳納米管薄膜的柔性儲能器件研究取得進展

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室“納米材料與介觀物理”課題組多年來一直致力于碳納米管薄膜的制備、物性與應用研究，取得了一系列成果（ Adv.Mater.，2009，21，603；Nano Lett.，2009，9，2855；Nanoscale，2011，3，3731；Nano Lett.，2011，11，4636；Energ.Environ.Sci.，2011，4，1440）。最近，該課題組牛志強博士、周維亞研究員、解思深院士等與該所清潔能源實驗室黃學杰研究組馮國星博士、李泓研究員、胡勇勝研究員，新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院陳曉東教授和澳大利亞臥龍崗大學智能聚合物研究所陳俊博士合作，充分利用直接生長的自支撐柔性碳納米管薄膜獨特的連續網絡結構、高電導率、高力學強度、高透光率等特點，研究了這種碳納米管薄膜在儲能器件和透明柔性電子學等領域的應用。

碳納米管透明薄膜是替代氧化銦錫（ITO）導電薄膜的理想材料，更重要的是有望廣泛地應用于柔性電子器件。利用浮動催化法直接制備的自支撐碳納米管薄膜具有獨特的二維連續網絡結構，從而具有優異的電學和力學性能（Nano.Lett.，2007，7，2307）。但是由于受其制備條件的約束，小于100 納米的自支撐透明導電薄膜難以利用此方法直接來獲得，這限制了其進一步的應用。為了解決這一問題，他們發展了傳統的轉移印刷技術，提出了一種基于靜電吸附的減薄碳納米管薄膜的方法——重復轉移印刷法，通過利用離子靜電吸附效應提高低表面能基底的表面能，使得碳納米管薄膜可以從高表面能的基底轉移到原本表面能較低的基底上。

結合具有特殊二維網絡結構的碳納米管薄膜與靜電吸附重復轉移印刷法，可在 PET襯底上得到不同厚度甚至近于亞單層的超薄碳納米管薄膜，透明度可達90%以上。此方法不僅可以有效提高碳納米管的利用率，保持碳納米管薄膜的結構，還可以有效提高超薄碳納米管薄膜的制備效率，簡化了實驗過程。該方法正在申請中國發明專利（申請號201210270061.0）。基于所制備的超薄碳納米管薄膜，研究人員組裝了柔性透明碳納米管薄膜超級電容器，超級電容器表現出了一定的透光性和良好的電化學性能。相關研究結果發表在Small (DOI：10.1002/smll.201201587)上，并得到編輯的較高評價。

如何在利用導電聚合物提高能量密度的同時不降低超級電容器功率密度，是目前碳納米管/導電聚合物異質電極制備的一個難題。他們以直接生長的自支撐碳納米管薄膜作為模板，利用電沉積的方法成功制備出了“骨架/皮膚”型的碳納米管/聚苯胺異質結構薄膜。在這種異質結構薄膜中，聚苯胺均勻包覆碳納米管薄膜中的碳管管束，碳管管束仍然保持良好的連續網絡結構，形成新的“骨架/皮膚”型碳納米管/聚苯胺異質連續網格結構，確保異質結構薄膜具有高導電性。此結構既充分發揮了碳納米管的高導電性，又發揮了導電聚合物贗電容的優勢。

獨立無支撐的碳納米管/聚苯胺異質結構薄膜具有非常好的力學性質，可以作為柔性超級電容器電極。與直接生長的碳納米管薄膜電極相比，基于碳納米管/聚苯胺異質結構薄膜的超級電容器電極的比電容提高了近一個數量級，并且在提高電極電流密度的同時，也保證其具有較高的功率密度。相關研究結果發表在 Energy & Environmental Science（2012，5，8726）上，被編輯部選為Hot Paper進行了介紹，Chemistry World也以“Skeleton and skin strategy improves supercapacitor”為題進行了專門報道。