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華東師大劉少華團隊 ACS Nano: 介孔導電聚合物PEDOT的合成及其Zn-I?電池活性
2023-10-08  來源:高分子科技

  聚(3,4-乙基二氧噻吩)(PEDOT)是最具前景的導電聚合物之一,廣泛應用于有機電子學領域。然而,以往的研究主要集中在二次摻雜以提高其電導率,缺乏對其孔結構和形貌的控制,后者對于拓展其在智能傳感、能量存儲、限域催化、生物分子輸運/分離等新興應用至關重要。引入規則的介孔通道可以賦予無序堆疊的聚合物鏈開放連通的孔網絡和更多暴露的活性位點。這種獨特的介孔結構和PEDOT固有性質的結合有望大大提高其在電子器件中的電化學活性和性能。盡管已經建立的軟模板法為制備具有納米多孔結構和特定拓撲形態的導電聚合物提供了強有力的方法,但介孔PEDOT的軟模板導向組裝合成尚未實現,這歸因于單體缺乏與結構導向劑匹配的相互作用。


  為解決上述問題,華東師大劉少華團隊報道了一種橋聯分子輔助的策略,通過引入商用的摻雜劑聚苯乙烯磺酸鹽(PSS)作為多功能橋聯分子,以同步協調有機前驅體和結構導向劑間的相互作用,制備了具有介孔結構的聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)納米球。產物的尺寸在105-1836 nm范圍內可調,具有開放的介孔通道、大的比表面積(105.5 m2g-1)和高的電導率(172.9 S cm-1)。此外,通過引入各種功能界面并控制組裝體在界面的可控生長,獲得了均勻負載在基底上大面積介孔PEDOT:PSS薄膜。進一步的,將負載碘的介孔PEDOT:PSS納米球作為水系鋅碘電池的正極,相應的電池表現出高比容量(241 mAh g-1)、優異的速率性能和長達20,000圈的循環壽命(單圈容量衰減0.0034%),綜合性能超過了之前報道的大多數碘宿主。深入的理論計算和系統的測試結果共同揭示了暴露的含硫、含氧官能團可以通過強化學作用有效地錨定碘物種,并抑制了可溶性聚碘化物中間體的穿梭,從而保證了電池的長期穩定性。


1. mPEDOT:PSS的合成示意圖。(a) BCP自組裝成球形膠束。(b)膠束與PSS作用形成PSS/BCP復合膠束。(c) PSS/BCP復合膠束吸引PEDOT低聚物形成BCP/PSS/PEDOT復合膠束。(d) BCP/PSS/PEDOT復合膠束進一步組裝形成超分子聚集體,并原位交聯形成聚合物骨架。(e)移除模板,得到mPEDOT:PSS


2. mPEDOT:PSS的結構表征。mPEDOT:PSS樣品的(a) SEM圖像及對應的粒徑分布曲線(插圖)(b) SEM圖,(c) TEM圖,(d)高角度環形暗場及(e-h)對應的EDX光譜元素圖,(i) N2吸附-解吸等溫線及對應的孔徑分布(插圖)(j) mPEDOT:PSSBCP樣品的FT-IR光譜。mPEDOT:PSS樣品的(k) S 2p精細光譜。


3. 水系鋅-碘電池的電化學性能。(a) 0.2 mV s-1掃描速率下,mPEDOT:PSS/I2電極前4個圈的CV曲線。(b) 0.2 mV s-1掃描速率下不同電極的CV曲線。(c)不同電極的Tafel圖。(d)電極在不同電流密度下的速率性能。(e) mPEDOT:PSS/I2電極在不同電流密度下的GCD曲線。(f)不同電極在2 A g-1電流密度下的循環性能。(g) mPEDOT:PSS/I2電極在5 A g-1電流密度下的循環性能。(h)最近報道的鋅碘電池碘宿主的性能對比。


  本研究通過引入橋聯分子連接軟模板和前驅體,這將為其他多孔材料的軟模板法制備提供思路,特別是那些缺少官能團與結構導向劑作用的前驅體。此外,本研究還提供了一種具有優異氧化還原活性、生物相容性和高比表面積的介孔導電聚合物,預期在可穿戴設備、智能傳感、納米反應器、多模態診療等領域擁有廣闊的應用前景。


  該研究成果以Mesoporous Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):Poly(styrenesulfonate) as Efficient Iodine Host for High-Performance Zinc-Iodine Batteries為題,發表在美國化學會期刊ACS Nano上。華東師范大學物理與電子學院劉少華教授為論文通訊作者,博士后魏發財為論文第一作者。該研究工作得到國家自然科學基金的支持。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.3c07868

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(責任編輯:xu)
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