陕师大雷志斌《ACS AEM》PEDOT纳米管助力超高性能超级电容器！

导读：本文研究了一种在柔性碳纤维布(TC)基底上用模板辅助电化学聚合法制备垂直生长聚 3-4乙烯二氧噻吩(PEDOT)纳米管的简便方法。PEDOT纳米管与TC衬底之间强大的界面相互作用不仅为杂化产物提供了良好的结构完整性和优异的导电性，而且还创造了连续的三维离子通道和导电通道。

与PEDOT纳米粒子和纳米纤维相比，PEDOT纳米管作为超级电容器电极更有吸引力，因为其有趣的中空结构可以作为许多离子扩散通道，从而使反离子容易穿透聚合物壁。尽管反向微乳液聚合已被开发用于生产长度超过10 μm的PEDOT纳米管，42单个PEDOT纳米管的导电性仅为10^-3 Scm^-1。另外，也有报道称PEDOT纳米管是将EDOT聚合在氧化铝多孔膜中。AAO模板膜的厚度(1~2 μm)很大程度上限制了纳米管的长度。此外，为了支持纳米管，AAO模板不能被移除。因此，制备均匀的PEDOT纳米管的简便而有效的合成路线还有待开发。此外，将PEDOT纳米管与导电衬底集成以制造独立电极对柔性储能设备来说仍然具有挑战性。

近日，陕西师范大学应用表面与胶体重点实验室雷志斌、牛斐等研究人员报道了通过电化学沉积技术在碳纤维上制备珊瑚状PEDOT纳米管阵列。相关工作以“Coral-like PEDOT Nanotube Arrays on Carbon Fibers as High-Rate Flexible Supercapacitor Electrodes”为题发表在国际著名期刊《ACS Applied Energy Material》上。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsaem.0c01202

本文使用生长在纺织碳布上的氧化锌纳米线作为牺牲模板。在ZnO纳米线上聚合3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)单体并随后进行酸蚀刻生成分层的TC@PEDOT杂化物，该杂化物由垂直的PEDOT纳米管阵列牢固地粘附在单个碳纤维上。良好的结构完整性使TC@PEDOT电极具有良好的电导率(790 Sm^-1)和优异的柔性，在弯折不同角度后，电极电导率几乎没有发生任何变化；即使在弯折和扭曲10000次后，电极的电导率依然保持92%以上，这表明PEDOT纳米管紧紧的依附在每根碳纤维上；更重要的是负载PEDOT纳米管后，电极的应变急剧增大，进一步增强了电极的柔性。

在循环伏安过程中，即使在1 V s^-1的高扫速下，循环伏安曲线依旧呈现良好的矩形，在每个扫速下0.5 V处的特定电流密度之间呈现线性关系，这表明该电极具有良好的倍率性能。此外，TC@PEDOT复合材料上的PEDOT纳米管在1.0 M H₂SO₄电解液中提供了184 F g^-1的特定电容(理论电容为210 F g^-1)，并在10 000圈循环后拥有88%的电容保持率。使用TC@PEDOT电极和PVA/H₂SO₄凝胶电解质构建的固态超级电容器具有高倍率能力，其弛豫时间常数(τ₀=0.96s)非常接近于H₂SO₄水溶液电解质(τ₀=0.87s)。

综上所述，作者所开发的策略可广泛应用于导电聚合物的纳米阵列结构的合成，希望为开发高性能储能器件提供新的机会。

图1：TC@PEDOT电极的形貌表征

图2：TC@PEDOT电极的透射表征

图3：TC@PEDOT的结构表征

图4：TC@PEDOT在三电极中的电化学性能

图5：TC@PEDOT在水系H₂SO₄电解质和PVA/H₂SO₄电解质中的电化学性能对比

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。