中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
介質(zhì)電容器具有功率密度高、放電速度快、可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)，在脈沖電源系統(tǒng)和電子系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子器件的進(jìn)一步小型化和集成化，對(duì)介電材料的高溫穩(wěn)定性提出了更高的要求。將無(wú)機(jī)納米顆粒摻入聚合物中是改善聚合物介電性能的有效途徑。然而，無(wú)機(jī)納米顆粒的團(tuán)聚和有機(jī)-無(wú)機(jī)界面在高溫下的不穩(wěn)定限制了聚合物納米復(fù)合材料走向大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。
近日，清華大學(xué)南策文院士、沈洋教授聯(lián)合華南理工大學(xué)黃明俊教授將具有氨基反應(yīng)位點(diǎn)的自組裝金屬有機(jī)籠結(jié)合到聚醚酰亞胺基體中，合成了金屬有機(jī)籠交聯(lián)納米復(fù)合材料。通過(guò)自組裝的金屬-有機(jī)籠進(jìn)行原位交聯(lián)，不僅實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)組分的均勻分布，而且構(gòu)建了穩(wěn)健的有機(jī)-無(wú)機(jī)界面，避免了傳統(tǒng)納米復(fù)合材料所帶來(lái)的界面損耗，顯著提升了高溫?fù)舸?qiáng)度。最終，所開(kāi)發(fā)的納米復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的能量密度，分別為7.53 J cm-3（150°C）和4.55 J cm-3 (200°C)，充放電效率為90%。并在200°C，300MV m-1的條件下實(shí)現(xiàn)了十萬(wàn)次穩(wěn)定充放電循環(huán)。
圖1.金屬-有機(jī)籠交聯(lián)納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)；（a）NH2-TOC的單晶結(jié)構(gòu)；（b）NH2-TOC的動(dòng)態(tài)光散射圖譜；（c）傳統(tǒng)納米復(fù)合材料：PEI/TiO2的結(jié)構(gòu)示意圖。多分散尺寸納米顆粒物理混合在PEI基體中；（d）金屬-有機(jī)籠交聯(lián)納米復(fù)合材料PEI-g-TOC的結(jié)構(gòu)示意圖。具有單分散尺寸和精確官能團(tuán)的超分子TOC籠作為PEI網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)位點(diǎn)
相關(guān)研究成果以“增強(qiáng)高溫電容儲(chǔ)能性能的金屬-有機(jī)籠交聯(lián)納米復(fù)合材料”（Metal-organic cage crosslinked nanocomposites with enhanced high-temperature capacitive energy storage performance）為題，于1月17日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)材料學(xué)院2022級(jí)博士生趙碩和華南理工大學(xué)前沿軟物質(zhì)學(xué)院2020級(jí)博士生彭威峰為論文的第一作者，清華大學(xué)南策文院士、沈洋教授和華南理工大學(xué)黃明俊教授為論文的共同通訊作者，其他重要貢獻(xiàn)者包括清華大學(xué)材料學(xué)院博士后周樂(lè)，2021級(jí)博士生徐而翔。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
