近日，西南交通大学︼材料科学与工程学院杨维清教授团队在纳米能源领域国际著名期刊上发表系列研究成果。

柔性固态超级电容器作为电池与传统电容器之间的一种新型储能装置，不但兼具了传统超级电容器具备的循环寿◆命长、充放电速率快、环保、功率密度高、安全性高等优点，而且还具有出色的力学性能。但如何制备出兼具高电化学性能且优异力学性能的高性能电极材料一直是研究人员面临的一个¤巨大挑战。目前，碳材料，过渡金属氧化物和导电聚合物等材料由于具备出色的电学、力学性质，已经被广泛应用于柔性固态超级电容器的高性能电极材料的制备。其中，分子剪切技术和超分↑子策略能够在很大程度上分别解决电极材料能量密度低和力学性能差的问题，已经成为目前超级电容器电极材料领域的研究热点。

“分子剪刀”——碳纳米材料可控化构建

碳纳米材料对于现代科技技术的发展至关重▃要。纳米金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和碳量子点因其独特的电学、力学、光学、热学和化学性质受到越来越多的关注，这些独特的性质为能源、传感以及环境修复等领域的发展铺平了道路。目前，分子水平的可控构建被认为是影响碳纳米材料结构的关键因素之一■。众所周知，表面工程是一种提高碳々纳米材料性能并拓展其应用领域不可或缺的基础手段。遗憾的是，目前还没有一种简便和通用的方法来定制具有理想特性的不同尺寸的碳纳米材料。本文提出的分子剪刀剪切策略不仅在分子水平上成功实现不同维度碳纳米材料的可控化构建㊣，而且为碳材料的革新作出巨大的贡献。

在材料学院杨维清教授、张海涛副教授及加州大学洛杉矶分校陈俊教授的共同指导下（通讯作者），材料学院2018级硕士生王庆通过分子剪刀剪切策略实现不同维度碳纳米材料的可控化构建，并对它的裁Ψ剪机理进行了详细的阐述。不同于目前广泛研究的表面修饰技术，他们采用分子剪刀打开碳材料的表面，实现分子尺度上的裁剪。在一定的温度条件下，锌蒸气和镁蒸气会进入碳材料的内部，一旦遇到二氧化碳就会形成一︼把分子剪刀，进而实现碳纳米材料的可控裁剪。测试表明，分子剪刀作用下的碳纳米材料不仅拥有高的比表面积，而且拥有适宜的孔径分布。在PVA/Na2SO4凝胶电解质体系中，器件〗展现出4.63 mWh cm-3的㊣　能量密度（对应功率密∩度为3520 mW cm-3）。该项以西南交通大学为第一单位取得的研究成果 “Tailoring Carbon Nanomaterials via a Molecular Scissor”发表在国际著名期刊Nano Today(IF=16.907)上。该成果得到了国家自然科学基金、西南交通大学和材料学院的大力支持。

图1. 分子剪刀实现对不同碳纳米材料的裁剪

图2. 分子剪刀实现对不同维度碳纳米材料的可控构建

图3. 分子剪刀作用于不同维度碳纳米材料的电化学性能

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013220302036?dgcid=coauthor

“超分子策略”——高性能聚合物薄膜电极

人类社会正在阔步迈入物联网（IoTs）时代。作为IoTs的重要组成部分，可穿戴生物电子器件可以为健康监测和人际交流提供坚实保障。可以预见，在不久的将来，可穿戴生物电子器件的数量将会呈爆→发式增长。但是传统的中央供能系统无法满足持续增长的分布式可穿戴电子器件的能量需求，因此，分布式能源方案的开发迫在眉睫。基于这一背♀景，可穿戴固态超级〇电容器应运而生。可穿戴固态超级电容器的电化学性能主要取决于电极材料。时至今日，开发高强度、大面积、自支撑的薄膜电极仍然是横亘在研究者面前的难题，这也是可穿戴固态超级电容器的商业化应用的↙瓶颈所在。

近日，材料学▂院杨维清及张海涛团队利用超分子策略结合简单的刮涂工艺，实现了高强度，大面积，自支撑的聚苯胺薄膜电极的设计和制备，并成功将其运用到了电化学能量存储当中。这种聚苯胺薄⌒膜力学性能优异，断裂强度高达33.7 MPa， 断裂伸」长率为17.8%。结合紫外冷光加工技术和自流延成型策略，研究人员进一步制备出了基于聚苯胺薄膜的可穿戴固态超级电容器。这种超级电容器展现出高达154.4 mF cm-2的面电容和1.91 mWh cm-3的能量密度（对应功率密度ξ　为42.55 mW cm-3）。该工作为可穿戴电子器件的供能问题提供了新思路。

图1. 高强度聚苯胺薄膜的设计及制备

图2.基于导电聚合物薄膜的可穿戴柔性超级电容器

相关研究成果以“An Ultrathin Robust Polymer Membrane for Wearable Solid-State Electrochemical Energy Storage”为题发表在国际高水平期刊《Nano Energy》(IF=16.602)上。西南交通大学材料学院博士生储翔为本文第一作者，杨维清教授和张海涛副教授为本文通讯作者。该成果得到了国家自然科学基金和四川省科技厅相关项目的资助。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520307576?via%3Dihub

团队介绍：

杨维清，西南交通大学材料科学与工程学院教授/博导，四川省第十二届政协委员，四川省杰出青年，2007和2011年分别获得四川大学硕士和博士学位，2011-2014年先后在电子科技大学和美国佐治亚理工学☉院从事博士后， 2014年4月∮引进到西南交通大学材料学院教授博导，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Adv. Mater.（IF: 27.398）, ACS Nano (IF: 14.588），Nano Lett.（IF: 11.238）, Adv. Funct. Mater. (IF: 16.836) 等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计170余篇，其中影响№因子IF>10论文50余篇，ESI高被引论文15篇，引用6300余次(Google Scholar)。主持国家自然基金、四川省杰出青年基金项目▃、教育部留学回国人员启动基金项目等多项省部级项目，担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。申请专利40余项(已授权24项)。所做的工作被美国知名网站美国〖国家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等』多家国内外媒体关注。也是Newscientists（科技媒体世界排名第一，见百度）首次报道西南交通大学的科研工作。相关科研成果在北京科技展和中关村科技展上，受到国务院副总理刘延东、中科院院长白春礼院士和中科院北京分院院长何岩院士的高度评价，受邀参加中∏国国际广播电台名人坊节目专访。

团队主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index.htm