界面自組裝構(gòu)筑二維有序介孔聚合物/石墨烯復(fù)合材料

陳立桅

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215123

二維有序介孔聚合物/石墨烯納米片的制備示意圖。

自2004年石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，以其為代表的二維納米材料得到了快速發(fā)展1,2。由于它們具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性能，有望在高性能電子器件、能源存儲(如電池、超級電容器)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用3。然而，由于片層間范德華力的存在，導(dǎo)致二維納米片容易堆疊，比表面積和活性位點大大降低。而原位生長活性組分于二維材料表面來制備三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米片，可以抑制片層的堆疊，并大大提高材料的性能4。同時，引入介孔不僅可以增加材料的比表面積，緩沖電極的體積膨脹，而且能夠提高電解液離子的擴散和器件的電化學(xué)性能5。因此，發(fā)展二維有序介孔復(fù)合納米材料能夠集成二維材料與介孔材料各自的優(yōu)點，克服它們的缺陷，將其應(yīng)用于微型超級電容器，可以減小離子傳輸曲折度，提高超級電容器的功率密度；并且能夠增加電荷存儲，提高超級電容器的能量密度。但是，目前已有報道的均為面內(nèi)球形孔結(jié)構(gòu)的二維介孔納米材料6-8，而更有利于電解質(zhì)離子傳輸?shù)木哂忻鎯?nèi)平行柱狀孔的有序介孔納米片的可控制備仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

最近，上海交通大學(xué)麥亦勇教授課題組和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所吳忠?guī)浹芯繂T課題組合作，發(fā)展了一種普適的界面自組裝策略，制備出多種具有面內(nèi)平行柱狀孔的有序介孔聚合物/石墨烯復(fù)合納米片，包括聚吡咯/石墨烯、聚苯胺/石墨烯、聚多巴胺/石墨烯，并將其應(yīng)用于全固態(tài)平面微型超級電容器，相關(guān)結(jié)果近期發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition雜志上9。該工作以P123嵌段共聚物為平行柱狀介孔模板劑，氧化石墨烯(graphene oxide)為二維基底，利用它們之間的氫鍵作用力，成功制得多種有序介孔聚合物/石墨烯復(fù)合納米片。這些納米片具有面內(nèi)平行柱狀的有序介孔，大小為11-12 nm，厚度為25-27 nm，同時結(jié)合了高電化學(xué)活性的贗電容聚合物和高導(dǎo)電性的雙電層石墨烯的優(yōu)勢。獲得的微型超級電容器表現(xiàn)出高體積比容量和能量密度，同時具有優(yōu)異的機械柔性和串并聯(lián)集成性能。

此項工作為可控制備二維有序介孔復(fù)合材料提供了新思路，為設(shè)計組裝高比能儲能材料和器件提供了新策略。