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【Nano Energy】聚吡咯-銅金屬海綿用于能量轉換和存儲的一體化器件
發表日期: 2019-02-27 文章來源:
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  柔性電子器件作為一種可彎曲、可形變的新型電子器件,日益受到廣泛關注。近年來的科學研究也推動了柔性電子器件在信息、能源、醫療、國防等領域的飛速發展,但現有的柔性電子器件依然存在質量大、形變不易恢復等不足之處。因此,制備機械穩定性高、質量小的柔性電子器件迫在眉睫。海綿是一種形變可逆的多孔材料,其已被廣泛應用在儲能、傳感器、光催化等領域。目前研究的海綿主要分為兩大類:一類是基于三維互聯結構的石墨烯和金屬泡沫海綿等;另一類是彈性聚合物,如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚氨酯(PU)海綿。在上述海綿中,基于PDMS的海綿具有抗疲勞性好、壽命長、易于修飾、成本低廉等優點,在傳感器等柔性電子產品的制造方面具有巨大的應用潛力。 

  近日,中國科學院北京納米能源與系統研究所李舟研究員課題組和深圳大學化學與環境工程學院周學昌副教授研究團隊合作,首次利用聚吡咯-銅金屬海綿制備了一種集能量轉換和能量存儲功能于一體的柔性電子器件。依據現有的非電沉積法,深圳大學碩士生楊夢嫣制備得到了易形變、密度小的銅金屬海綿。北京納米能源所博士研究生李喆和助理研究員胡寬通過附載聚吡咯,制備了柔性、穩定的聚吡咯-銅金屬海綿,使這種復合海綿具有較穩定的高導電性,為摩擦納米發電機和超級電容器同時提供了更為優質的柔性電極選擇。他們將聚吡咯-銅金屬海綿用在電容器上,與聚乙烯醇-氫氧化鉀凝膠組裝成三明治結構,得到了一種全固態雙電極超級電容器。一方面利用來自于銅金屬海綿內表面較高的雙電層電容,另一方面來源于聚吡咯產生的贗電容,實現了電容器結構和性能的優化,有效提高了電容器的穩定性和循環壽命,也增加了界面處的感應電流。博士研究生鄒洋利用聚吡咯-銅金屬海綿作為納米發電機的摩擦層又作為電極層,制備了多孔、質輕的單電極摩擦納米發電機,并通過材料本身處理,有效提高了納米發電機的電學輸出。研究人員將以上摩擦納米發電機和超級電容器組裝成一個器件,制得了集能量轉換和能量存儲功能于一體的柔性電子器件。 

  該器件在不改變性能的情況下,可被壓縮50% 或彎曲180°,適用于可穿戴裝置。摩擦納米發電機產生的2.4V電壓的能量能被存儲在與其串聯的多個超級電容器中,并可驅動LED燈工作。該研究工作為聚吡咯-銅金屬海綿的應用提供了新方向,也為可穿戴電子器件和彈性多功能能量存儲復合系統的研制提供了新思路。 

  相關研究成果以“Elastic [email protected] sponge for hybrid device with energy conversion and storage”為題發表在近期的Nano Energy上(DOI:10.1016/j.nanoen.2018.11.093)。納米能源所博士生李喆、鄒洋、胡寬博士以及深圳大學碩士生楊夢嫣為共同第一作者。李舟研究員和周學昌副教授為共同通訊作者。該項工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金以及國家萬人計劃“青年拔尖”人才的經費支持。 

評 論
 
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