美國弗吉尼亞理工（Virginia Tech）劉國良 [Guoliang (Greg) Liu] 課題組利用聚丙烯腈-b-聚甲基丙烯酸甲酯（PAN-b-PMMA）的嵌段共聚物制備出了具有均勻介孔的碳納米纖維。該碳纖維作為贗電容器電極材料基底，在電極中同時實現了高載量的活性物質以及極低的電子/離子傳導阻力。在7 mg/cm2活性物質載量下，實驗測得二氧化錳在碳纖維上的活性達到了理論值的84%。 該研究成果目前以題為“Block Copolymer Derived Uniform Mesopores Enable Ultrafast Electron and Ion Transport at High Mass Loadings”的論文發表于Nature Communications，第一作者為劉田宇博士后。

本工作的亮點在于利用嵌段共聚物的自組裝（圖1），從分子層面上設計了多孔贗電容電極基底材料，并同時獲得了通常互斥的兩個電極性能——高載量和快速離子、電子傳輸能力。作者利用可逆加成-斷裂鏈轉移聚合（RAFT）合成了PAN-b-PMMA嵌段共聚物，然后利用靜電紡絲技術（electronspinning）將PAN-b-PMMA轉化為聚合物纖維。在第一步加熱（280°C）過程中，PAN-b-PMMA 發生相分離并實現納米級自組裝，形成了無規則雙連續的PAN和PMMA相。同時，空氣中的氧氣促進PAN分子間成環交聯從而保證了高碳產率。后續高溫灼燒將PAN碳化生成相連的碳纖維骨架，而PMMA則完全分解形成互相聯通的介孔。不同于傳統的PAN以及通過軟、硬模板法制備的碳纖維，由PAN-b-PMMA生成的多孔碳纖維的介孔孔徑均一，孔孔相互聯通，且均勻分布于整個碳纖維 。該獨特的孔結構使得該多孔碳納米纖維成為高性能贗電容電極基底材料。大量的介孔為附載高質量的贗電容活性材料提供了豐富的活性表面；連續的碳骨架為電子提供了快速的傳導通道；相互連通的介孔有利于贗電容活性材料在碳纖維內部沉積并加速離子在孔內的傳導。

圖1. 負載MnO2的多孔碳纖維電極制備示意圖。（a）靜電紡絲和PAN-b-PMMA嵌段共聚物相分離、自組裝；（b）高溫碳化形成多孔碳纖維；（c）浸泡KMnO4水溶液在碳表面沉積MnO2。連續的碳纖維有利于快速電子傳導；相互連通的介孔保證暢通的離子傳輸。

作者們將所制得的多孔碳納米纖維置于高錳酸鉀溶液中浸泡，從而在纖維表面及內部沉積上二氧化錳（MnO2）納米片（圖2a）——一種高性能、低成本的贗電容活性材料。整個電極的活性物質（包括碳纖維和MnO2質量）高達7 mg/cm2, 具備商業應用潛力。氮氣物理吸附測試顯示沉積MnO2兩小時后，介孔尺寸從11.7納米減至9.3納米（圖2b），表明MnO2納米片在介孔內部沉積的厚度小于2納米。由于介孔暢通而未被MnO2阻塞，保證了整個電極較低的離子傳輸阻力（2 Ω s0.5），遠低于其他MnO2電極（圖2c）。得益于電極高載量和極低的電荷傳導阻力，MnO2納米片-多孔碳纖維電極的質量比電容和面積比電容均高于其他相近載量的MnO2贗電容電極（圖2d）。

圖2.（a）MnO2附著在多孔碳纖維上（PCF@MnO2）的掃描電鏡（SEM）圖片。左下方SEM圖片為介孔碳納米纖維橫截面形貌；（b）多孔碳纖維以及PCF@MnO2孔徑分布；（c）PCF@MnO2及其他MnO2贗電容電極的離子傳遞阻力的比較；（d）PCF@MnO2及其他MnO2贗電容電極電極載量、面積比電容和質量比電容的比較?？招暮蛯嵭臄祿c分別代表基于總電極質量和僅MnO2質量的比電容。

本工作展示了嵌段共聚物所制備的多孔碳纖維在贗電容電容器中的巨大潛力。該碳纖維還有望在其他領域中大放異彩。

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https://www.nature.com/articles/s41467-019-08644-w

來源：高分子科學前沿