近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇育德研究員課題組與俞書宏院士團(tuán)隊合作，在國際期刊《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上發(fā)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(gòu)建了三種不同維度儲能納米材料的電化學(xué)滲流模型，系統(tǒng)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(xué)性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體系中活性納米材料質(zhì)量百分?jǐn)?shù)處于某一臨界值(定義該臨界值為電化學(xué)滲流閾值)時，比電容發(fā)生了至少一個數(shù)量級的激增。儲能納米材料的維度與電化學(xué)滲流閾值和電極力學(xué)性能密切相關(guān)，本項研究成果對于發(fā)展絕緣基底支撐的電化學(xué)儲能電極具有指導(dǎo)意義。
 

　　儲能納米材料具有獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，在電化學(xué)儲能領(lǐng)域被廣泛關(guān)注。由于極易發(fā)生聚集或堆疊，納米活性材料通常需要依靠支撐基底構(gòu)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(yōu)異的力學(xué)性能和促進(jìn)離子傳輸?shù)哪芰ΑＶT多研究將纖維素納米纖維與不同維度的儲能納米材料復(fù)合，構(gòu)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(nèi)部電子通路的構(gòu)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(fù)合材料的導(dǎo)電滲流閾值與導(dǎo)電添加劑的維度密切相關(guān)。然而在電化學(xué)儲能領(lǐng)域，不同維度儲能納米材料在絕緣基底中的電化學(xué)滲流行為及其對于電極力學(xué)性能的影響尚未明確。
 

　　基于此，本項研究選擇本征電導(dǎo)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(diào)控其在纖維素納米纖維基底的負(fù)載，構(gòu)建了三種電化學(xué)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(xué)儲能性能，研究人員發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)滲流行為與納米活性材料的維度密切相關(guān)。當(dāng)0D碳納米顆粒、1D碳納米管和2D還原氧化石墨烯的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為60.0%, 14.3%和66.7%時，比電容出現(xiàn)至少1個數(shù)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(fā)生電化學(xué)滲流。進(jìn)一步提高活性物質(zhì)的占比雖然能夠提高比電容活性，但同時伴隨著電極力學(xué)性質(zhì)的犧牲，這些行為均與納米活性材料的維度密切相關(guān)。研究結(jié)果顯示，儲能納米材料維度的選擇和密度的精確調(diào)控，對于構(gòu)筑基于絕緣基底自支撐電極材料至關(guān)重要。
 

圖1：不同維度儲能納米材料的電化學(xué)滲流模型示意圖
 

　　本文的第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生杭臣臣，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項基金、國家自然科學(xué)基金重大項目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、安徽省重大基礎(chǔ)研究項目、國自然面上項目、科技部重點研發(fā)計劃青年項目等資助。