近日，中國科學技術大學蘇育德研究員課題組與俞書宏院士團隊合作，在國際期刊《先進材料》(Advanced Materials)上發表了題為“Cellulose nanofiber-supported electrochemical percolation of capacitive nanomaterials with 0D, 1D and 2D structures”的研究論文。該研究構建了三種不同維度儲能納米材料的電化學滲流模型，系統探究了活性納米材料的維度和密度對于電極儲能性能和力學性質的影響。研究發現，當體系中活性納米材料質量百分數處于某一臨界值(定義該臨界值為電化學滲流閾值)時，比電容發生了至少一個數量級的激增。儲能納米材料的維度與電化學滲流閾值和電極力學性能密切相關，本項研究成果對于發展絕緣基底支撐的電化學儲能電極具有指導意義。
 

　　儲能納米材料具有獨特的物理和化學特性，在電化學儲能領域被廣泛關注。由于極易發生聚集或堆疊，納米活性材料通常需要依靠支撐基底構筑成宏觀電極。纖維素納米纖維是一種天然可再生材料，具有優異的力學性能和促進離子傳輸的能力。諸多研究將纖維素納米纖維與不同維度的儲能納米材料復合，構筑可用于電池和超級電容器的自支撐儲能電極。對于電極材料，內部電子通路的構建是必要前提，但是本征纖維素納米纖維是電子絕緣體。已有研究證明，復合材料的導電滲流閾值與導電添加劑的維度密切相關。然而在電化學儲能領域，不同維度儲能納米材料在絕緣基底中的電化學滲流行為及其對于電極力學性能的影響尚未明確。
 

　　基于此，本項研究選擇本征電導率相近的0D碳納米顆粒、1D碳納米管和2D還原氧化石墨烯為例，通過精確調控其在纖維素納米纖維基底的負載，構建了三種電化學滲流研究模型(圖1)。將所制備的纖維素納米纖維基自支撐電極組裝成超級電容器研究電極的電化學儲能性能，研究人員發現，電化學滲流行為與納米活性材料的維度密切相關。當0D碳納米顆粒、1D碳納米管和2D還原氧化石墨烯的質量百分數分別為60.0%, 14.3%和66.7%時，比電容出現至少1個數量級的增長。由此可見，相對于零維和二維材料，一維材料更容易發生電化學滲流。進一步提高活性物質的占比雖然能夠提高比電容活性，但同時伴隨著電極力學性質的犧牲，這些行為均與納米活性材料的維度密切相關。研究結果顯示，儲能納米材料維度的選擇和密度的精確調控，對于構筑基于絕緣基底自支撐電極材料至關重要。
 

圖1：不同維度儲能納米材料的電化學滲流模型示意圖
 

　　本文的第一作者為中國科學技術大學博士生杭臣臣，通訊作者為中國科學技術大學俞書宏院士和蘇育德研究員。該工作得到新基石研究員項目、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項基金、國家自然科學基金重大項目、中國科學院青年創新促進會、安徽省重大基礎研究項目、國自然面上項目、科技部重點研發計劃青年項目等資助。