近日，中國(guó)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(duì)合作，在國(guó)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(chǔ)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(duì)于電極儲(chǔ)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(shí)，比電容發(fā)生了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的激增。儲(chǔ)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(xiàng)研究成果對(duì)于發(fā)展絕緣基底支撐的電化學(xué)儲(chǔ)能電極具有指導(dǎo)意義。
 

　　儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能納米材料復(fù)合，構(gòu)筑可用于電池和超級(jí)電容器的自支撐儲(chǔ)能電極。對(duì)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(chǔ)能領(lǐng)域，不同維度儲(chǔ)能納米材料在絕緣基底中的電化學(xué)滲流行為及其對(duì)于電極力學(xué)性能的影響尚未明確。
 

　　基于此，本項(xiàng)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(guò)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(jí)電容器研究電極的電化學(xué)儲(chǔ)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(shí)，比電容出現(xiàn)至少1個(gè)數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，相對(duì)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(shí)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(chǔ)能納米材料維度的選擇和密度的精確調(diào)控，對(duì)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(chǔ)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生杭臣臣，通訊作者為中國(guó)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(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、安徽省重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、國(guó)自然面上項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目等資助。