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河南农业大学王丽霞博士Chemical Engineering Journal:连续纳米网状PEDOT:PSS薄膜用于制备超高能量密度的水系交流线路滤波电容

来源:河南农业大学      2022-01-13
导读:近期河南农业大学理学院王丽霞博士在Chemical Engineering Journal上报道了借助合理设计形貌调控策略以获得连续纳米网状PEDOT:PSS薄膜,并将其用于制备具有超高能量密度的水系交流线路滤波电容的工作《Continuous Nanomesh PEDOT:PSS Film: Towards Aqueous AC Line Filtering Capacitor with Ultrahigh Energy Density》。目前该杂志影响因子为13.273,中科院分区一区。第一作者为河南农业大学理学院硕士生李洲,王丽霞博士,王霄鹏博士和北京理工大学的赵扬研究员为通讯作者 (DOI: 10.1016/j.cej.2021.133012)。

近期河南农业大学理学院王丽霞博士在Chemical Engineering Journal上报道了借助合理设计形貌调控策略以获得连续纳米网状PEDOT:PSS薄膜,并将其用于制备具有超高能量密度的水系交流线路滤波电容的工作《Continuous Nanomesh PEDOT:PSS Film: Towards Aqueous AC Line Filtering Capacitor with Ultrahigh Energy Density》。目前该杂志影响因子为13.273,中科院分区一区。第一作者为河南农业大学理学院硕士生李洲,王丽霞博士,王霄鹏博士和北京理工大学的赵扬研究员为通讯作者 (DOI: 10.1016/j.cej.2021.133012)

具有超高能量密度的滤波电容对于任何需要交流转直流电路中的脉冲信号稳定都至关重要。但目前已报道的用于滤波电容的电极材料,其结构缺乏合理调控,致使面积比能量密度较低,未能满足需要。本工作利用合理的形貌调控策略获得高导电、连续交联PEDOT:PSS纳米网状薄膜,并将其制备成具有超快频率响应性的水系电化学电容器。薄膜电极内互穿的聚合物网络结构不仅利于电子转移、离子传输,同时提供大量离子可接近的比表面积。基于此,该电极制备的电化学电容器呈现出高效滤波特性:120 Hz时,相角高达 84°,面积比电容和面积比能量密度则达到1087 μF cm-2544 μF V2 cm-2,远高于大多数已报道的具有相近相角的水系滤波电容的相应值。并且其对1–10,000 Hz超宽频率范围内任意输入波形均有较好的滤波效果。为了探究其实际应用性,当将多个电容器单元串联制备得到的集成电容连接至含有旋转圆盘摩擦电纳米发电机 (RD-TENG) 的滤波电路时,其可有效平滑输出的交流脉冲信号,从而点亮19LEDs。该工作为获得高效水系滤波电容提供了新思路。

为了探究连续纳米网状PEDOT:PSS薄膜基电化学电容器 (HPDEC-9) 之所以具有超高的面积比能量密度和杰出的滤波特性的作用机理,我们比较了目标样品和其他三种对比样品,原始的PEDOT:PSS溶液制备得到的薄膜,单纯用共溶剂滴加的薄膜 (PD),和单纯用浓酸处理的薄膜 (HP) 的电化学性能。并对其进行了AFMSEMHAADF-STEMRaman光谱,UV-vis-NIR 光谱,和XPS等的表征。结果发现,合理设计的PEDOT:PSS高分子链的微观形貌调控策略:共溶剂二甲基亚砜 (DMSO) 的添加和薄膜浓硫酸 (H2SO4) 后处理的协同作用是其具有杰出性能的原因。共溶剂DMSO的滴加,不仅可改善PEDOT:PSS的导电性,还可使PEDOT:PSS内部形成较大的颗粒,其利于在浓 H2SO4 后处理过程中构建连续交联、高导电的PEDOT:PSS纳米纤丝组装的网装结构 (HPD)。这样的结构利于更多可接近表面的暴露和促成高的电容值。而在后续浓H2SO4的处理过程中,虽PEDOT链的结晶化会导致链堆叠,及相应界面面积和电容值的减少,但绝缘的PSS链会部分离去,增强薄膜导电性和改善频率响应性。因此HPDEC-9120 Hz时,具有极其高的面积比电容和能量密度的原因是两种处理过程的协同作用,在同一个薄膜内平衡了可接近的界面面积和导电性。但未滴加DMSO,直接进行浓 H2SO4处理过程获得的HP薄膜,很可能造成原始PEDOT:PSS溶液内较小颗粒直接交联,致使薄膜表面不连续和更多碎片的产生

为了证明集成器件实际的滤波能力,我们分别进行了以下两个实验。首先搭建滤波电路一,由波形发生器,整流桥,12HPDEC-9串联所得的集成器件 (12-HPDEC-9)12 V–5 V电路板,和移动手机组成。当波形发生器提供24 Vpeak-peak的交流输入信号时,连有12-HPDEC-9的集成电路中手机立马进入充电状态。相反,当将12-HPDEC-9移除,手机则不能被充电。很显然,该充电过程是由于12-HPDEC-9对电路中信号的稳定作用。证明其可用于实际滤波电路以取代铝电解电容。滤波电路二:由RD-TENG,整流桥,5HPDEC-9串联所得的集成器件 (5-HPDEC-9),和多个LEDs组成。当RD-TENG启动,由19LEDs组成的 “HAU” 图案瞬间被连续点亮,且无闪烁。而没有5-HPDEC-9的电路,虽启动RD-TENGLEDs尽管被点亮,但频闪严重。具体来说,当RD-TENG启动时,输出开路电压的峰值及频率分别为100 V240 Hz。整流后,获得脉冲直流信号,相应的频率为480 Hz,远高于商业市电的频率 (100 Hz),其适合于研究高频电容的滤波性能。值得注意的是,滤波后,开路电压稳定在1.6 V,且无纹波和衰减,证明5-HPDEC-9杰出的脉冲滤波特性。而相对低的输出电压是由于LEDs两端较大的电压降。并且,从RD-TENG, 整流桥,和 5-HPDEC-9两端的充电曲线对时间的关系图中,很显然,电路中连有5-HPDEC-9时,电荷充电最快,其充电速度分别是单单利用RD-TENG充电的150倍,和利用RD-TENG和整流桥充电的2倍。上述结果证明5-HPDEC-9可有效稳定脉冲信号,并加速电荷转移。除此之外,我们发现集成电容输出的电信号,其电压可通过连接不同数目的HPDEC-9单元进行调控。虽然本工作中,最大可输出6 V的电压,但当串联更多单元时,可获得更高的输出电压。总之,集成电容因可对脉冲信号进行平滑,对电荷转移进行加速,及可调的输出电压,使其可显著改善TENG在自供电系统中的实用性。

该工作为制备既具有高导电又具有高电容值的器件提供了思路;为借助合理设计策略,调控PEDOT:PSS的微观形貌,以改善薄膜可接近表面积和导电性,从而获得高效滤波电容提供了重要理论支撑和实验帮助。

以下是文章示意图和主要数据:

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1. HPD-9制备过程示意图及其形貌表征。(a) HPD-9薄膜电极制备过程示意图。DMSO加入到PEDOT:PSS水溶液中后,较大的PEDOT:PSS颗粒形成。PEDOT:PSS/DMSO 混合溶液旋涂于滤纸表面,待干燥后浸入浓硫酸中 12 小时,去除纤维素模板和部分PSSPEDOT:PSS 溶胶漂洗后,贴附于Au箔表面,放于烘箱中干燥处理以获得HPD-9薄膜。(bc) HPD-9的不同放大倍数的扫描电镜图;c图中圈住部分是膜表面纳米网眼。HPD-9(d) 高角环形暗场和 (e) 亮场透射电镜图。

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2. HPDEC-9的电化学性能。(a) 相角频率图。(b) Nyquist 图(嵌图:高频放大图)。(c) 面积比电容的实、虚部频率图。(d) 面积电容频率图。(e) HPDEC-9与已报道用于交流线路滤波的水系电化学电容的 EA,120  CA,120的比较。(f) HPDEC-95.0 mA cm2放电电流密度下进行恒电流充放电测试的循环稳定性。

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3. HPDEC-9具有超高面积比能量密度和高频响应性的机理分析。利用原子力显微镜得到的(a)原始PEDOT:PSS薄膜,(b) PEDOT:PSS加入共溶剂DMSO后得到的薄膜,(c) PEDOT:PSS经浓H2SO4处理后得到的薄膜,(d) HPD-9薄膜的形貌图。标尺:50 nm。原始PEDOT:PSS薄膜,PEDOT:PSS加入共溶剂DMSO后得到的薄膜,PEDOT:PSS经浓H2SO4处理后得到的薄膜,HPD-9薄膜的 (e) 拉曼光谱,(f) 紫外可见近红外光谱,(g) X射线光电子能谱。

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4. HPDEC-9的滤波性能。(a) 滤波电路示意图,所连接负载的阻值为10 MΩ(b) HPDEC-9和商业铝电解电容 (220 μF, 16 V) 60 赫兹时交流线路滤波性能比较。嵌图是滤波信号的放大图。(c–i) HPDEC-9对任意波形的滤波能力。输入信号分别为 (c) Morlet , (d) PM, (e) 心电图形, (f) 噪音形, (g) 心形, (h) 圆形, (i) 菱形波. (c–i) 中输入信号频率为 60 赫兹。

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5. 集成HPDEC-9器件的滤波性能。含有不同串联数目的集成器件的 (a) CV图,扫描速率为10 V s-1(b) 相角频率图。(c) 12-HPDEC-960 赫兹时对正弦交流信号的滤波性能。(d) 连入12-HPDEC-9的滤波电路,可实现对输入信号的波形平滑和稳定。(e) 输出信号可对手机供电。(f) 连入TENG5-HPDEC-9的滤波电路,可驱动10LEDs。滤波电路中,RD-TENG,整流桥,和5-HPDEC-9两端的电压输出信号 (5g),和累积电荷输出信号 (5h)

致谢:感谢国家自然科学基金 (21805072, 22075019),河南农业大学拔尖人才项目 (30500738),青年英才项目 (30500601) 的支持。

简介:王丽霞,河南农业大学校聘副教授。2016年获得北京理工大学博士学位。目前的研究方向是功能材料的制备及特殊性能电容的研究。迄今为止,已经以第一作者或通讯作者在Advanced MaterialsChemical Engineering JournalElectrochimica ActaCarbonNanoscale 等优秀期刊上发表了数篇高水平文章。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.137561该文章作者为李洲,赵玲玉,郑先福,林沛,李鑫,李瑞歌,赵士举,韩丹丹,吕东灿,王丽霞,王霄鹏和赵扬。


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