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近期河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院王麗霞博士在Chemical Engineering Journal上報(bào)道了借助合理設(shè)計(jì)形貌調(diào)控策略以獲得連續(xù)納米網(wǎng)狀PEDOT:PSS薄膜，并將其用于制備具有超高能量密度的水系交流線路濾波電容的工作《Continuous Nanomesh PEDOT:PSS Film: Towards Aqueous AC Line Filtering Capacitor with Ultrahigh Energy Density》。目前該雜志影響因子為13.273，中科院分區(qū)一區(qū)。第一作者為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院碩士生李洲，王麗霞博士，王霄鵬博士和北京理工大學(xué)的趙揚(yáng)研究員為通訊作者 (DOI: 10.1016/j.cej.2021.133012)。

具有超高能量密度的濾波電容對(duì)于任何需要交流轉(zhuǎn)直流電路中的脈沖信號(hào)穩(wěn)定都至關(guān)重要。但目前已報(bào)道的用于濾波電容的電極材料，其結(jié)構(gòu)缺乏合理調(diào)控，致使面積比能量密度較低，未能滿足需要。本工作利用合理的形貌調(diào)控策略獲得高導(dǎo)電、連續(xù)交聯(lián)PEDOT:PSS納米網(wǎng)狀薄膜，并將其制備成具有超快頻率響應(yīng)性的水系電化學(xué)電容器。薄膜電極內(nèi)互穿的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅利于電子轉(zhuǎn)移、離子傳輸，同時(shí)提供大量離子可接近的比表面積?；诖?，該電極制備的電化學(xué)電容器呈現(xiàn)出高效濾波特性：120 Hz時(shí)，相角高達(dá) ?84°，面積比電容和面積比能量密度則達(dá)到1087 μF cm^-2和544 μF V² cm^-2，遠(yuǎn)高于大多數(shù)已報(bào)道的具有相近相角的水系濾波電容的相應(yīng)值。并且其對(duì)1–10,000 Hz超寬頻率范圍內(nèi)任意輸入波形均有較好的濾波效果。為了探究其實(shí)際應(yīng)用性，當(dāng)將多個(gè)電容器單元串聯(lián)制備得到的集成電容連接至含有旋轉(zhuǎn)圓盤摩擦電納米發(fā)電機(jī) (RD-TENG) 的濾波電路時(shí)，其可有效平滑輸出的交流脈沖信號(hào)，從而點(diǎn)亮19個(gè)LEDs。該工作為獲得高效水系濾波電容提供了新思路。

為了探究連續(xù)納米網(wǎng)狀PEDOT:PSS薄膜基電化學(xué)電容器 (HPDEC-9) 之所以具有超高的面積比能量密度和杰出的濾波特性的作用機(jī)理，我們比較了目標(biāo)樣品和其他三種對(duì)比樣品，原始的PEDOT:PSS溶液制備得到的薄膜，單純用共溶劑滴加的薄膜 (PD)，和單純用濃酸處理的薄膜 (HP) 的電化學(xué)性能。并對(duì)其進(jìn)行了AFM，SEM，HAADF-STEM，Raman光譜，UV-vis-NIR 光譜，和XPS等的表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合理設(shè)計(jì)的PEDOT:PSS高分子鏈的微觀形貌調(diào)控策略：共溶劑二甲基亞砜 (DMSO) 的添加和薄膜濃硫酸 (H₂SO₄) 后處理的協(xié)同作用是其具有杰出性能的原因。共溶劑DMSO的滴加，不僅可改善PEDOT:PSS的導(dǎo)電性，還可使PEDOT:PSS內(nèi)部形成較大的顆粒，其利于在濃 H₂SO₄ 后處理過(guò)程中構(gòu)建連續(xù)交聯(lián)、高導(dǎo)電的PEDOT:PSS納米纖絲組裝的網(wǎng)裝結(jié)構(gòu) (HPD)。這樣的結(jié)構(gòu)利于更多可接近表面的暴露和促成高的電容值。而在后續(xù)濃H₂SO₄的處理過(guò)程中，雖PEDOT鏈的結(jié)晶化會(huì)導(dǎo)致鏈堆疊，及相應(yīng)界面面積和電容值的減少，但絕緣的PSS鏈會(huì)部分離去，增強(qiáng)了薄膜導(dǎo)電性和改善了頻率響應(yīng)性。因此HPDEC-9在120 Hz時(shí)，具有極其高的面積比電容和能量密度的原因是兩種處理過(guò)程的協(xié)同作用，在同一個(gè)薄膜內(nèi)平衡了可接近的界面面積和導(dǎo)電性。但未滴加DMSO，直接進(jìn)行濃 H₂SO₄處理過(guò)程獲得的HP薄膜，很可能造成原始PEDOT:PSS溶液內(nèi)較小顆粒直接交聯(lián)，致使薄膜表面不連續(xù)和更多碎片的產(chǎn)生。

為了證明集成器件實(shí)際的濾波能力，我們分別進(jìn)行了以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。首先搭建濾波電路一，由波形發(fā)生器，整流橋，12個(gè)HPDEC-9串聯(lián)所得的集成器件 (12-HPDEC-9)，12 V–5 V電路板，和移動(dòng)手機(jī)組成。當(dāng)波形發(fā)生器提供24 V_peak-peak的交流輸入信號(hào)時(shí)，連有12-HPDEC-9的集成電路中手機(jī)立馬進(jìn)入充電狀態(tài)。相反，當(dāng)將12-HPDEC-9移除，手機(jī)則不能被充電。很顯然，該充電過(guò)程是由于12-HPDEC-9對(duì)電路中信號(hào)的穩(wěn)定作用。證明其可用于實(shí)際濾波電路以取代鋁電解電容。濾波電路二：由RD-TENG，整流橋，5個(gè)HPDEC-9串聯(lián)所得的集成器件 (5-HPDEC-9)，和多個(gè)LEDs組成。當(dāng)RD-TENG啟動(dòng)，由19個(gè)LEDs組成的 “HAU” 圖案瞬間被連續(xù)點(diǎn)亮，且無(wú)閃爍。而沒有5-HPDEC-9的電路，雖啟動(dòng)RD-TENG，LEDs盡管被點(diǎn)亮，但頻閃嚴(yán)重。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)RD-TENG啟動(dòng)時(shí)，輸出開路電壓的峰值及頻率分別為100 V，240 Hz。整流后，獲得脈沖直流信號(hào)，相應(yīng)的頻率為480 Hz，遠(yuǎn)高于商業(yè)市電的頻率 (100 Hz)，其適合于研究高頻電容的濾波性能。值得注意的是，濾波后，開路電壓穩(wěn)定在1.6 V，且無(wú)紋波和衰減，證明5-HPDEC-9杰出的脈沖濾波特性。而相對(duì)低的輸出電壓是由于LEDs兩端較大的電壓降。并且，從RD-TENG, 整流橋，和 5-HPDEC-9兩端的充電曲線對(duì)時(shí)間的關(guān)系圖中，很顯然，電路中連有5-HPDEC-9時(shí)，電荷充電最快，其充電速度分別是單單利用RD-TENG充電的150倍，和利用RD-TENG和整流橋充電的2倍。上述結(jié)果證明5-HPDEC-9可有效穩(wěn)定脈沖信號(hào)，并加速電荷轉(zhuǎn)移。除此之外，我們發(fā)現(xiàn)集成電容輸出的電信號(hào)，其電壓可通過(guò)連接不同數(shù)目的HPDEC-9單元進(jìn)行調(diào)控。雖然本工作中，最大可輸出6 V的電壓，但當(dāng)串聯(lián)更多單元時(shí)，可獲得更高的輸出電壓?？傊?，集成電容因可對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行平滑，對(duì)電荷轉(zhuǎn)移進(jìn)行加速，及可調(diào)的輸出電壓，使其可顯著改善TENG在自供電系統(tǒng)中的實(shí)用性。

該工作為制備既具有高導(dǎo)電又具有高電容值的器件提供了思路；為借助合理設(shè)計(jì)策略，調(diào)控PEDOT:PSS的微觀形貌，以改善薄膜可接近表面積和導(dǎo)電性，從而獲得高效濾波電容提供了重要理論支撐和實(shí)驗(yàn)幫助。

以下是文章示意圖和主要數(shù)據(jù)：

圖1. HPD-9制備過(guò)程示意圖及其形貌表征。(a) HPD-9薄膜電極制備過(guò)程示意圖。DMSO加入到PEDOT:PSS水溶液中后，較大的PEDOT:PSS顆粒形成。PEDOT:PSS/DMSO 混合溶液旋涂于濾紙表面，待干燥后浸入濃硫酸中 12 小時(shí)，去除纖維素模板和部分PSS。PEDOT:PSS 溶膠漂洗后，貼附于Au箔表面，放于烘箱中干燥處理以獲得HPD-9薄膜。(b，c) HPD-9的不同放大倍數(shù)的掃描電鏡圖；c圖中圈住部分是膜表面納米網(wǎng)眼。HPD-9的 (d) 高角環(huán)形暗場(chǎng)和 (e) 亮場(chǎng)透射電鏡圖。

圖2. HPDEC-9的電化學(xué)性能。(a) 相角–頻率圖。(b) Nyquist 圖（嵌圖：高頻放大圖）。(c) 面積比電容的實(shí)、虛部–頻率圖。(d) 面積電容–頻率圖。(e) HPDEC-9與已報(bào)道用于交流線路濾波的水系電化學(xué)電容的 E_A,120 和 C_A,120的比較。(f) HPDEC-9在5.0 mA cm^?2放電電流密度下進(jìn)行恒電流充放電測(cè)試的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖3. HPDEC-9具有超高面積比能量密度和高頻響應(yīng)性的機(jī)理分析。利用原子力顯微鏡得到的(a)原始PEDOT:PSS薄膜，(b) PEDOT:PSS加入共溶劑DMSO后得到的薄膜，(c) PEDOT:PSS經(jīng)濃H₂SO₄處理后得到的薄膜，(d) HPD-9薄膜的形貌圖。標(biāo)尺：50 nm。原始PEDOT:PSS薄膜，PEDOT:PSS加入共溶劑DMSO后得到的薄膜，PEDOT:PSS經(jīng)濃H₂SO₄處理后得到的薄膜，HPD-9薄膜的 (e) 拉曼光譜，(f) 紫外–可見–近紅外光譜，(g) X射線光電子能譜。

圖4. HPDEC-9的濾波性能。(a) 濾波電路示意圖，所連接負(fù)載的阻值為10 MΩ。(b) HPDEC-9和商業(yè)鋁電解電容 (220 μF, 16 V) 在60 赫茲時(shí)交流線路濾波性能比較。嵌圖是濾波信號(hào)的放大圖。(c–i) HPDEC-9對(duì)任意波形的濾波能力。輸入信號(hào)分別為 (c) Morlet 形, (d) 圓 PM形, (e) 心電圖形, (f) 噪音形, (g) 心形, (h) 圓形, 和 (i) 菱形波. (c–i) 中輸入信號(hào)頻率為 60 赫茲。

圖5. 集成HPDEC-9器件的濾波性能。含有不同串聯(lián)數(shù)目的集成器件的 (a) CV圖，掃描速率為10 V s^-1；(b) 相角–頻率圖。(c) 12-HPDEC-9在60 赫茲時(shí)對(duì)正弦交流信號(hào)的濾波性能。(d) 連入12-HPDEC-9的濾波電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的波形平滑和穩(wěn)定。(e) 輸出信號(hào)可對(duì)手機(jī)供電。(f) 連入TENG和5-HPDEC-9的濾波電路，可驅(qū)動(dòng)10個(gè)LEDs。濾波電路中，RD-TENG，整流橋，和5-HPDEC-9兩端的電壓輸出信號(hào) (圖5g)，和累積電荷輸出信號(hào) (圖5h)。

致謝：感謝國(guó)家自然科學(xué)基金 (21805072, 22075019)，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)拔尖人才項(xiàng)目 (30500738)，青年英才項(xiàng)目 (30500601) 的支持。

簡(jiǎn)介：王麗霞，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)校聘副教授。2016年獲得北京理工大學(xué)博士學(xué)位。目前的研究方向是功能材料的制備及特殊性能電容的研究。迄今為止，已經(jīng)以第一作者或通訊作者在Advanced Materials、Chemical Engineering Journal、Electrochimica Acta、Carbon、Nanoscale 等優(yōu)秀期刊上發(fā)表了數(shù)篇高水平文章。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.137561，該文章作者為李洲，趙玲玉，鄭先福，林沛，李鑫，李瑞歌，趙士舉，韓丹丹，呂東燦，王麗霞，王霄鵬和趙揚(yáng)。