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Acc.Chem.Res.:新型多功能導電高分子凝膠的合成、性質及應用

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撰稿人:石燁(UT Austin)

在過去的幾十年里,導電高分子由於具有可調的導電性質以及類似於傳統高分子材料的可加工性能,因而得到了廣泛的關注與研究。隨著納米技術的發展,人們發現通過製備特殊可控的納米結構,導電高分子可進一步表現出優異的機械、電學、光學以及電化學等性能。導電高分子凝膠是納米結構化導電高分子材料中的一個傑出代表,繼承了納米尺度高分子聚合物的部分理化性質,同時由於具有高度交聯的網路結構而表現出獨特的結構特性,在電子器件、生物醫藥以及能源轉化和儲存等領域得到了廣泛的應用。

近日,德克薩斯大學奧斯汀分校趙飛博士、石燁博士和余桂華教授以及南京大學潘力佳教授合作,近期在化學類的頂級綜述期刊Accounts of Chemical Research上發表了關於三維納米結構化導電高分子凝膠設計、合成及應用方面的一系列工作,系統總結了採用多官能團分子作為交聯劑合成並調控新型導電高分子凝膠的方法,並研究了凝膠三維結構的多種獨特性質,最後介紹了新型高分子凝膠在多功能複合凝膠合成、電化學能源儲存、能源轉化、感測器等領域中的應用(圖1)。

圖1. 導電高分子凝膠由於具有獨特的理化性質,在諸多領域得到了廣泛的研究及應用。

文章從介紹新型導電高分子凝膠合成方法出發,解釋了多官能團分子在合成中起到的交聯及摻雜作用(圖2A),並指出導電高分子凝膠的結構與性質可以通過控制合成條件(包括交聯劑的種類、溶劑、反應時間、反應溫度等)進行廣譜調控(圖2B),從而得到優異的電學和機械性能。新型導電高分子凝膠具有較高的電導率和表面積,多孔結構可促進液體以及離子在其中的傳輸與擴散,因而應用於電化學能源儲存器件中用以提升器件性能(圖2C)。文中介紹了將其作為超級電容器電極材料以及新型鋰電池粘結劑的一系列研究與應用。另外,這種獨特的電子及離子傳輸性質也使高分子凝膠在生物感測器方面得到了獨特的應用(圖2D)。這種新型導電高分子凝膠通過熱處理進一步發展成為三維納米結構化的碳材料並應用於能源儲存與轉化器件中。最後,由於新型導電高分子凝膠具有高度交聯的三維結構,可用於製備多功能複合凝膠材料(圖2E)。這些材料表現出優秀的導電性能、環境響應特性以及自修復行為,在智能電子器件的發展中擁有廣闊的應用前景。

圖2. (A)新型導電高分子凝膠利用多官能團分子作為交聯劑;(B)凝膠的結構與性質可進行廣譜調控;(C)(D)該凝膠應用於電化學能源儲存以及生物感測器中;(E)導電高分子凝膠可用於合成多功能複合凝膠材料。

該論文作者為:Fei Zhao, Ye Shi, Lijia Pan, Guihua Yu

Multifunctional Nanostructured Conductive Polymer Gels: Synthesis, Properties, and Applications

Acc. Chem. Res.,2017,50, 1734, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00191

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