吴忠帅传授，AFM综述：生物可降解高分子在超等电容器范畴中的应用与瞻望
【文章信息】
生物可降解聚合物在超等电容器范畴中的研究停顿与瞻望
第一做者：吴鲁，师晓宇
通信做者：吴忠帅*
单元：中国科学院大连化学物理研究所
【研究布景】
超等电容器（SC）在将来可穿戴和可植入电子设备范畴具有庞大的应用潜力，但传统质料的不成降解性招致其无法满足当今社会日益增长的环保要求。因而，具有令人满意的降解性和优良的生物相容性的生物可降解聚合物吸引了越来越多研究人员的目光，也势必在SCs的将来开展中阐扬着不成替代的感化，并为其情况无害化处置做出奉献。本文综述了现有生物可降解聚合物的分类及其典型构造、性量和造备工艺，并归纳综合了生物可降解聚合物基SCs在造备战略和改性办法方面的研究停顿，以及生物可降解聚合物在绿色SCs开展过程中的关键感化。本文为将来的研究供给了标的目的，有助于加速生物可降解高分子在超等电容器范畴的研究及现实应用。
【文章简介】
近日，中国科学院大连化物所吴忠帅研究员的工做，在国际出名期刊Advanced Functional Materials上颁发题为“Recent Advancements and PErspectives of Biodegradable Polymers for Supercapacitors”的综述文章。该综述文章归纳综合了常见生物可降解聚合物在超等电容器各组分（电极、电解量、封拆质料或基底）中的应用研究现状，并阐发瞻望了将来的挑战和开展标的目的。
图1. 生物可降解高分子在超等电容器中的应用及降解轮回过程
【本文要点】
要点一：生物可降解聚合物分类及重要性
生物可降解聚合物次要包罗以淀粉、纤维素为代表的天然生物可降解聚合物和以聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）为代表的化学合成生物可降解聚合物。天然和合成的生物可降解聚合物因为其各自奇特的分子构造和物理化学性量，使得它们在SC中阐扬着各自差别的重要感化。例如，天然生物可降解聚合物，如明胶、壳聚糖、淀粉和海藻酸钠，具有极大的亲水性，能够更容易地通过氢键、共价键或配位彼此感化造备成水凝胶电解量。
此外，羧甲基纤维素钠（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）和海藻酸钠可间接应用于电极范畴，凡是用做毗连活性质料的粘合剂或流变剂，以加强电极的构造完好性和机械柔性。与天然生物可降解聚合物比拟，合成生物可降解的聚合物具有可设想的分子构造和可控的分子量，类似于PI、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、和PET，那使它们成为生物可降解柔性基片和封拆质料的重要候选者。那些柔性基板和封拆质料将SC与外部情况隔离，以耽误器件的利用寿命，制止机械损坏和四周侵蚀。
要点二：天然高分子基超等电容器
天然聚合物几乎散布在世界的每个角落，是构成多彩世界的根底。天然聚合物凡是在其分子链上具有多样化的化学成分和大量亲水基团（羟基、氨基、羧基等）。此外，高活性极性基团的存在加速了化学反响过程改性，促进了许多具有特定构造和性能的衍生天然聚合物的造备。那些衍生物凡是具有优良的水溶性、优良的生物相容性和生物降解性，那些无与伦比的特征为定造和优化具有所需形式和功用的天然聚合物基超等电容器（凝胶电解量、柔性基底薄膜、气凝胶电极）供给了可能性。因而，天然可降解聚合物因为其特殊的分子构造、丰硕的物量来源和优良的生物降解性，为开发新型可降解和无害的超等电容器开拓了道路。
要点三：合成高分子基超等电容器
与天然生物可降解聚合物比拟，化学合成办法能够对目的产品停止人工分子设想，并按照需要在分子链中引入差别类型和数量的官能团，从而使聚合物具有可预测的物理化学性量和可控的降解速度，以满足产物的高性能和新功用的抱负要求。合成可降解聚合物在可降解柔性基底和封拆质料范畴展现了极大的应用前景，有望实现储能器件的可降解封拆。各类情况因素，如温度、湿度、pH和氧含量，对质料的降解过程有重要影响。
要点四：前瞻
情况友好和无害化是将来SC设想和建造的趋向和重要特征，是制止电子污染和庇护天然情况的重要路子。生物可降解聚合物及其衍生质料被认为是实现那一目的的有希望的候选质料。起首，关键问题是若何进一步进步生物可降解聚合物基电解量的综合性能，包罗电化学性能和机械性能。
在现实应用中，优良的机械性能能够确保器件较长的利用寿命，并且以水为单一溶剂的水凝胶很容易因蒸发或结冰而变得枯燥和生硬，那严峻限造了其利用温度范畴并缩短了其利用寿命。第二，应摸索实现大规模和低成本造备高性能生物可降解聚合物衍生碳电极质料的办法。因而，应努力于寻找完美且简便的办法，以实如今碳化过程中连结天然质料本身特殊构造的目的，并确保其优良性能的充实阐扬。第三，迫切需要造备更多具有奇特特征的新型合成生物可降解聚合物，如优良的弹性和优良的相容性，并研究其在超等电容器范畴的应用。
【文章链接】
Recent Advancements and Perspectives of Biodegradable Polymers for Supercapacitors
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211454
【通信做者简介】
吴忠帅研究员简介：博士生导师，催化根底国度重点尝试室508组组长、国度出色青年科学基金获得者、英国皇家化学会会士、2018-2022年科睿唯平安球高被引科学家、爱思唯尔“中国高被引学者”、超等电容财产联盟青年工做委员会副主任。次要处置二维质料化学与高效微纳电化学能源的应用根底研究，包罗柔性化/微型化储能器件、超等电容器、电池和能源催化。已颁发学术论文240余篇，被SCI引用32000余次。获国度天然科学奖二等奖、辽宁省天然科学奖一等奖、第十三届辽宁青年科技奖、卢嘉锡优良导师奖、中国科学院大学优良导师奖等。
担任Applied Surface Science副主编，J. Energy Chem.施行编委，Editorial Group Member for Natl Sci. Rev., Energy Storage Mater.、Science Bulletin、科学传递、Nanomaterials、Mater. Res. ExPRess、Physics编委，Interdisciplinary Materials学术编纂，Chin. Chem. Lett.、eScience、物理化学学报青年编委、Engineering通信专家。担任Adv. Mater.、J. Energy Chem.、Energy Storage Mater.、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J.、2D Materials、Chin. Chem. Lett.、新型炭质料杂志客座编纂；申请国际、国度尺度各1项，获批国度尺度1项；承担中组部、科技部、基金委、中科院等项目30余项。
【第一做者介绍】
吴鲁，2021年于大连理工大学获得博士学位，目前为中国科学院大连化学物理研究所博士后，研究范畴次要集中在柔性超等电容器和天然聚合物水凝胶。
师晓宇，2020年于中国科学手艺大学获得博士学位，目前为中国科学院大连化学物理研究所博士后，研究标的目的为超等电容器及功用化集成微型能源系统。
【课题组介绍】
二维质料化学与能源应用研究组，依托催化根底国度重点尝试室，次要研究标的目的次要包罗石墨烯和二维质料化学与应用、微纳储能器件与微能源系统、外表和纳米电化学与原位表征、锂/钠/锌离子电池、锂金属/锂硫/锂空电池、以及能源催化。课题组目前有成员40余人，包罗研究员1人，副研究员4人，博士后15人，团队科研气氛浓重。课题组目前的重点研究标的目的为二维质料化学与微纳电化学能源的应用根底研究。近期研究兴趣包罗:
（1）二维质料的可控造备化学、奇特性量及应用根底性研究，如二维质料能源化学（储能、表界面催化）、传感、光电、相变等；
（2）微纳电化学科学根底，研发微型电化学能源质料、微器件与微系统，构建高性能、功用化微型超等电容器、微型电池及其能源搜集-储能-消耗集成微系统；
（3）高效电化学能源立异系统，包罗超等电容器、锂离子/锂硫/锂空电池、固态电池、钠/锌/铝等新型电池；
（4）能源催化（电催化、热催化、情况催化），搭建二维模子能源器件，开展工况形态下电化学催化（ORR、HER、OER、CO2RR等）、储能动态反响过程与机理的原位研究，连系理论计算提醒电化学输运性量和反响机理。
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