纳米结构功能化水凝胶在能量转换以及存储方面的最新进展

近日，德州大学奥斯汀分校的余桂华教授（点击查看介绍）课题组在Advanced Materials上发表题为“Nanostructured Functional Hydrogels as an Emerging Platform for Advanced Energy Technologies”的综述文章，从凝胶材料结构化和功能化的角度系统总结了纳米结构功能化水凝胶在能量转换以及存储方面的最新进展。

能源危机是当今社会的重大挑战之一，消费量巨大的不可再生资源及其导致的环境恶化问题严重阻碍了社会的高速可持续发展。合理利用风能、潮汐能、太阳能等可再生资源可有效解决能源与环境问题。其中，电化学能量转换和存储技术能高效转换电能和化学能，引起人们的广泛关注。对于各种电化学装置与设备如电池、电容器等，其功能材料需满足快速的电荷载体运输、比表面积大、化学稳定性高和电化学活性高等特点。基于大量的活性位点和较快的粒子运输，纳米材料广泛用于能量转换和存储设备中。其中，物理或化学交联的高分子链组成的纳米结构化水凝胶具有高度可调的物理和化学特性，因而备受关注。这些材料不仅具有聚合物的内在特性，如高柔韧性、可拉伸性、高离子导电性与电化学活性等，还可以得到结构衍生的扩展性能，如连续骨架、高表面积、可控结晶等。

作者首先论述了纳米结构化功能水凝胶的合成与功能化策略及其独特的物理与化学特性。文中指出，纳米结构化功能性水凝胶作为一种新的多功能材料平台广泛应用于能源领域。水凝胶的合成方法主要包括交联聚合物链或单体以构建三维纳米结构的聚合物链网络。这种聚合物网络可以通过不可逆的（如共价的）或可逆（如超分子）的相互作用交联而成，并且这种分子结构可以通过调整交联密度、采用不同聚合物链和调整浓度实现不同的纳米结构以及结构衍生的特殊性质。除此之外，其他策略如杂原子掺杂、化学改性和一维/二维纳米结构的组装也可用于改变此分子结构。通常情况下，一维和二维纳米结构也可以组装成三维纳米结构。作者主要关注三维结构的水凝胶在能源方面的应用，最常见的功能化策略是采用功能官能团或功能材料修饰水凝胶框架，引入特殊的纳米结构和新的化学/物理属性或新功能。除此之外，由纳米结构水凝胶衍生的三维框架如碳或陶瓷框架最近也得到开发，用于高性能储能或能量转换装置中（图1）。

图1. 纳米结构化功能水凝胶的功能化策略

随后，作者系统总结了这种新型水凝胶材料在可充电电池、超级电容器和电化学催化剂等能量存储与转换系统中的研究进展。一般来说，电化学能量存储器件通常由两个电极和电解质组成。决定器件储能性能的决定因素是如何在各个组件中有效地传递电子或离子以及各电化学活性成分发生反应的快慢。此外，循环稳定性和材料强度也是影响储能器件稳定性和能量密度的关键因素。由于纳米结构化功能水凝胶具有多级孔道结构、良好的柔性、内部互联结构等特性，该类材料可广泛用于电化学能量存储器件以提高其性能。

图2. 纳米结构化功能水凝胶在能源领域的机遇与挑战

基于凝胶材料构筑新型多功能材料，已经成为解决能源器件技术问题，开发新型高效储能、催化材料的重要选择。作者对这一领域的发展做出了如下总结与展望：

• 借助凝胶化学的特点，将不同功能材料的本征性能有机地结合起来，以针对性地满足能源器件的设计需求；

• 通过可控地构建具有特定物理化学性质的纳米结构，可控地调节电化学能源器件工作过程中的核心步骤，进而揭示其工作原理，为进一步优化器件设计提供参考；

• 利用凝胶化学的可控性和可重复性，大规模地构建特定的纳米结构，削弱大规模材料制备中材料化学环境的波动对产物质量的影响；

• 开发新型多功能复合材料，并基于此发展新的储能或能量转化器件；

• 通过引入柔性材料、透明材料等，使能量储存和转化器件兼容于新一代微电子功能器件。

该论文作者为：Fei Zhao, Jiwoong Bae, Xingyi Zhou, Youhong Guo, Guihua Yu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Nanostructured Functional Hydrogels as an Emerging Platform for Advanced Energy Technologies

Adv. Mater., 2018, 30, 1801796, DOI: 10.1002/adma.201801796

导师介绍

余桂华

http://www.x-mol.com/university/faculty/37838