塑料塑造了現代世界，改變了我們的生活方式。幾十年來(lái)，塑料因其出色的絕緣性能而主要用于電子產(chǎn)品。但在 20 世紀 70 年代，科學(xué)家意外發(fā)現某些塑料也能導電。這一發(fā)現徹底改變了該領(lǐng)域，為電子和儲能應用打開(kāi)了大門(mén)。
目前使用最廣泛的導電塑料之一是 PEDOT，即聚(3,4-乙烯二氧噻吩)的縮寫(xiě)。PEDOT 是一種柔性透明薄膜，通常涂在攝影膠片和電子元件表面，以保護它們免受靜電影響。它也用于觸摸屏、有機太陽(yáng)能電池和電致變色設備，例如只需按一下按鈕即可從亮變暗的智能窗。
然而，PEDOT 的儲能潛力受到限制，因為市售的 PEDOT 材料缺乏容納大量能量所需的電導率和表面積。
加州大學(xué)洛杉磯分校的化學(xué)家們正在采用一種創(chuàng )新方法來(lái)應對這些挑戰，即控制 PEDOT 的形態(tài)，從而精確地生長(cháng)納米纖維。這些納米纖維表現出卓越的導電性和擴大的表面積，這兩者對于增強 PEDOT 的儲能能力至關(guān)重要。
《先進(jìn)功能材料》雜志發(fā)表的一篇論文描述了這種方法，證明了 PEDOT 納米纖維在超級電容器應用方面的潛力。
與通過(guò)緩慢化學(xué)反應儲存能量的電池不同，超級電容器通過(guò)在其表面積累電荷來(lái)儲存和釋放能量。這使得它們能夠極快地充電和放電，使其成為需要快速爆發(fā)功率的應用的理想選擇，例如混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)中的再生制動(dòng)系統以及相機閃光燈。因此，更好的超級電容器是減少對化石燃料依賴(lài)的一種途徑。
加州大學(xué)洛杉磯分校的化學(xué)家們通過(guò)獨特的氣相生長(cháng)工藝生產(chǎn)出這種新材料，制成了垂直的 PEDOT 納米纖維。這些納米纖維類(lèi)似于向上生長(cháng)的茂密草叢，大大增加了材料的表面積，使其能夠儲存更多的能量。通過(guò)在石墨片上添加一滴含有氧化石墨烯納米薄片和氯化鐵的液體，研究人員將該樣品暴露在前體分子的蒸汽中，最終形成了 PEDOT 聚合物。
這種聚合物并沒(méi)有發(fā)展成非常薄的平面薄膜，而是長(cháng)成了厚厚的毛皮狀結構，與傳統的 PEDOT 材料相比，其表面積顯著(zhù)增加。
“這種材料獨特的垂直生長(cháng)使我們能夠制造出比傳統 PEDOT 儲存更多能量的 PEDOT 電極，”通訊作者、加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)家 Maher El-Kady 說(shuō)道。“電荷存儲在材料表面，而傳統 PEDOT 薄膜的表面積不足以容納大量電荷。我們增加了 PEDOT 的表面積，從而將其容量提高到足以制造超級電容器的程度。”
作者利用這些 PEDOT 結構制造出具有出色電荷存儲容量和非凡循環(huán)穩定性的超級電容器，循環(huán)次數達到近 100,000 次。這一進(jìn)展可能為更高效的儲能系統鋪平道路，直接應對可再生能源和可持續性方面的全球挑戰。
“聚合物本質(zhì)上是由稱(chēng)為單體的較短塊組成的長(cháng)分子鏈，”El-Kady 說(shuō)道。“可以把它想象成由串在一起的單個(gè)珠子制成的項鏈。我們在室內加熱液態(tài)單體。隨著(zhù)蒸汽上升，它們在接觸石墨烯納米薄片表面時(shí)發(fā)生化學(xué)反應。該反應導致單體結合并形成垂直納米纖維。這些納米纖維的表面積更大，這意味著(zhù)它們可以?xún)Υ娓嗟哪芰俊?rdquo;
這種新型 PEDOT 材料表現出了令人印象深刻的效果，在幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域超出了預期。它的電導率比商用 PEDOT 產(chǎn)品高 100 倍，使其電荷存儲效率更高。更引人注目的是，這些 PEDOT 納米纖維的電化學(xué)活性表面積是傳統 PEDOT 的四倍。這種增加的表面積至關(guān)重要，因為它允許在相同體積的材料中存儲更多的能量，從而顯著(zhù)提高超級電容器的性能。
得益于在石墨烯片上生長(cháng)出一層厚厚的納米纖維的新工藝，這種材料現在具有迄今為止報道的 PEDOT 中最高的電荷存儲容量之一——超過(guò)每平方厘米 4,600 毫法拉，比傳統的 PEDOT 高出近一個(gè)數量級。
最重要的是，這種材料非常耐用，可以承受超過(guò) 70,000 次充電循環(huán)，遠遠超過(guò)傳統材料。這些進(jìn)步為超級電容器打開(kāi)了大門(mén)，超級電容器不僅速度更快、效率更高，而且使用壽命更長(cháng)，這是可再生能源行業(yè)必不可少的品質(zhì)。
