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  一般電活性聚合物用作電極材料時，常常發(fā)生溶脹或收縮，并且循環(huán)期間極有可能發(fā)生降解，因此導(dǎo)電高分子循環(huán)期間的長期穩(wěn)定性是一個有待突破的難題。而聚吲哚與常見導(dǎo)電高分子（如：聚苯胺、聚吡咯、聚咔唑及其取代的衍生物）相比，具有相對優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高氧化還原活性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和更慢的降解速率，是作為超級電容器等儲能裝置電極材料的良好選擇。

  一直以來，聚吲哚的合成方法主要有化學(xué)氧化合成法和電化學(xué)合成法。這兩種合成方法所用到的試劑（如：乙腈、氯仿）昂貴且對環(huán)境具有污染性，一定程度上限制了聚吲哚的合成及應(yīng)用，所以如何“綠色”、低成本、高效地合成聚吲哚是擋在聚吲哚實際應(yīng)用前的一道障礙。

  基于上述問題，東華大學(xué)楊升元副教授-朱美芳教授課題組將乙醇作為吲哚單體的溶劑，將過硫酸銨（APS）和水的混合物作為氧化劑，在0℃及惰性氣體氛圍下合成了聚吲哚，避免了傳統(tǒng)有毒溶劑的使用，并且合成的聚吲哚具有良好的熱穩(wěn)定性，在500℃下，失重率僅為24%。該“綠色”合成方法為聚吲哚在能源、生物醫(yī)用等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

(綠色合成得到的聚吲哚復(fù)合納米纖維形貌)

  在此基礎(chǔ)上，本課題組以不銹鋼紗布作為電極的基體，通過靜電紡絲一步法制備聚吲哚/碳納米管復(fù)合納米纖維電極，所組裝的對稱柔性超級電容器性能得到大幅提升。采用三電極測試體系，以Ag/AgCl作為參比電極，當(dāng)電流密度為1.0A g-1時，聚吲哚/碳納米管復(fù)合納米纖維電極的比電容量可達(dá)476F g-1。此外，超級電容器具有較高的功率密度、能量密度以及較好的循環(huán)穩(wěn)定性，充放電循環(huán)2000次后，電容保持率達(dá)95%。

(靜電紡絲一步法制備聚吲哚納米纖維基電極并組裝柔性超級電容器示意圖)

  為了進(jìn)一步提升聚吲哚/碳納米管復(fù)合納米纖維作為電極的性能，課題組將靜電紡和靜電噴這兩種技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，通過調(diào)控電紡與電噴針頭之間的距離來控制復(fù)合材料的微觀形貌，從而實現(xiàn)了兩種技術(shù)及兩種材料的協(xié)同效應(yīng)，而不僅僅是簡單疊加，所制備的三維海綿狀納米材料首次在柔性超級電容器上得到應(yīng)用。當(dāng)兩針頭間距為8cm時，將所得到的納米海綿作為電極材料，使得所組裝的超級電容器性能進(jìn)一步提升，因為納米海綿的三維骨架大大提升了電極材料的比表面積。采用三電極測試體系，以Ag/AgCl作為參比電極，當(dāng)電流密度為1.0A g-1時，聚吲哚/碳納米管復(fù)合納米海綿電極的比電容量可達(dá)555F g-1。該工藝不僅為提升聚吲哚納米纖維電極材料的性能提供了一種簡單的方法，更為零維的納米顆粒（如：V2O5、Co3O4等過渡金屬氧化物、碳基顆粒和銅等導(dǎo)電納米金屬球）和一維的納米纖維（如：聚吲哚、聚吡咯等導(dǎo)電高分子納米纖維）有效地結(jié)合，從而構(gòu)筑成高性能的海綿狀三維結(jié)構(gòu)的電極材料提供了一種可控的途徑。

(基于電紡/電噴協(xié)同效應(yīng)的三維納米骨架結(jié)構(gòu)及其性能比較)

  綜上，本課題組實現(xiàn)了從聚合-紡絲-器件的系統(tǒng)研究，為聚吲哚納米纖維在超級電容器等儲能器件上的應(yīng)用提供了參考。

  此一系列研究工作最近陸續(xù)發(fā)表在Materials Letters、Electrochimica Acta、Journal of Materials Chemistry A（獲選為當(dāng)期封面）上，東華大學(xué)材料學(xué)院及纖維材料改性國家重點實驗室留學(xué)生Mike Tebyetekerwa（來自烏干達(dá)）是論文的第一作者，楊升元副教授和朱美芳教授為共同通訊作者。該項工作得到上海市晨光計劃、上海市科技創(chuàng)新行動計劃、國家自然科學(xué)基金和教育部創(chuàng)新團(tuán)隊的資助。

參考文獻(xiàn)：

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)

論文鏈接：

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