IT之家 1 月 22 日消息，塑料作為現(xiàn)代社會中不可或缺的材料，具有優(yōu)異的絕緣性能。然而，20 世紀(jì) 70 年代，科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)某些塑料也具有導(dǎo)電性，這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了材料科學(xué)的格局，并為電子設(shè)備和能源存儲領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用前景。
據(jù)IT之家了解，聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）是目前應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電塑料之一。PEDOT 是一種柔韌、透明的薄膜，常用于保護(hù)攝影膠片和電子元件免受靜電干擾，同時也被應(yīng)用于觸摸屏、有機(jī)太陽能電池和電致變色設(shè)備（如智能窗戶）中。然而，由于商業(yè)化的 PEDOT 材料導(dǎo)電性和表面積有限，其在能源存儲領(lǐng)域的潛力一直受到限制。
加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的化學(xué)家們通過一種創(chuàng)新方法，成功控制了 PEDOT 的形態(tài)，使其生長出精確的納米纖維結(jié)構(gòu)。這些納米纖維不僅具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，還顯著增加了材料的表面積，從而大幅提升了 PEDOT 的能源存儲能力。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上。
超級電容器與電池的工作原理截然不同。電池通過緩慢的化學(xué)反應(yīng)存儲能量，而超級電容器則通過在材料表面積累電荷來存儲和釋放能量。這種機(jī)制使得超級電容器能夠極快地充放電，非常適合需要快速能量釋放的應(yīng)用場景，例如混合動力和電動汽車的動能回收系統(tǒng)以及相機(jī)閃光燈。因此，開發(fā)性能更優(yōu)的超級電容器是減少對化石燃料依賴的重要途徑之一。然而，超級電容器面臨的主要挑戰(zhàn)是如何制造出具有足夠表面積的材料以存儲大量能量，而傳統(tǒng)的 PEDOT 材料在這方面表現(xiàn)不佳。
UCLA 的研究團(tuán)隊通過一種獨(dú)特的氣相生長工藝，成功制備出垂直排列的 PEDOT 納米纖維。這些納米纖維形似向上生長的茂密草叢，顯著增加了材料的表面積，從而使其能夠存儲更多能量。具體而言，研究人員在石墨片上滴加含有氧化石墨烯納米片和三氯化鐵的液體，隨后將樣品暴露于 PEDOT 前體分子的蒸汽中。與傳統(tǒng)的 PEDOT 材料形成薄而平的薄膜不同，這種新方法使聚合物生長出厚實的絨毛狀結(jié)構(gòu)，表面積大幅增加。
“這種材料的垂直生長特性使我們能夠制造出比傳統(tǒng) PEDOT 存儲更多能量的電極，”該研究的通訊作者、UCLA 材料科學(xué)家 Maher El-Kady 解釋道，“電荷存儲在材料表面，而傳統(tǒng)的 PEDOT 薄膜表面積不足，無法存儲大量電荷。我們通過增加 PEDOT 的表面積，顯著提升了其容量，從而能夠用于制造超級電容器?！?/p>
實驗結(jié)果顯示，這種新型 PEDOT 材料在多個關(guān)鍵指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)異，遠(yuǎn)超預(yù)期。其導(dǎo)電性是商業(yè)化 PEDOT 產(chǎn)品的 100 倍，使其在電荷存儲方面更加高效。更令人矚目的是，這些 PEDOT 納米纖維的電化學(xué)活性表面積是傳統(tǒng) PEDOT 的四倍。表面積的增加意味著在相同體積的材料中可以存儲更多能量，從而顯著提升了超級電容器的性能。
得益于這種新工藝，石墨烯片上生長的納米纖維層具有迄今為止報道的最高電荷存儲容量之一 —— 每平方厘米超過 4600 毫法拉，幾乎是傳統(tǒng) PEDOT 的十倍。此外，這種材料還表現(xiàn)出極高的耐久性，能夠經(jīng)受超過 7 萬次充放電循環(huán)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料。這些突破為開發(fā)更快、更高效且更耐用的超級電容器鋪平了道路，對可再生能源行業(yè)具有重要意義。
“我們的電極表現(xiàn)出卓越的性能和耐久性，這表明石墨烯 PEDOT 在超級電容器中的應(yīng)用潛力巨大，有助于滿足社會的能源需求，”另一位通訊作者、UCLA 化學(xué)與材料科學(xué)與工程杰出教授 Richard Kaner 表示。Kaner 的研究團(tuán)隊在導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域已有超過 37 年的研究歷史。他在博士期間曾參與導(dǎo)師 Alan MacDiarmid 和 Alan Heeger 關(guān)于導(dǎo)電塑料的發(fā)現(xiàn)，后者因此獲得了諾貝爾獎。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。