柔性電子和可穿戴材料受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大重視，相關(guān)產(chǎn)業(yè)正以指數(shù)級規(guī)模快速增長。柔性電子器件需要超級電容器或電池等高效儲能器件持續(xù)供能，但柔性超級電容器距離規(guī)模化應(yīng)用還有距離，關(guān)鍵問題是能量密度偏低，達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用要求。電極材料是超級電容器電活性材料，也是最核心的組成部分，其電導(dǎo)率和比電容直接決定和影響超級電容器能量密度。提高電極材料比電容是提高器件能量密度的有效途徑。因此，高電導(dǎo)率和高比電容電極材料成為柔性電子和可穿戴領(lǐng)域急需發(fā)展的關(guān)鍵電活性材料。

Fig. 1. Schematic illustration for the preparation process of PANI/ATMP/AgNO₃ composite hydrogels.

針對以上科學(xué)挑戰(zhàn)，我院碩士研究生趙成為第一作者，中國礦業(yè)大學(xué)陶雪鈺副教授為通訊作者，與新加坡國立大學(xué)Ding Jun課題組周仕祥博士合作，中國礦業(yè)大學(xué)為第一通訊單位，近期在期刊Journal of Materials Chemistry A (Impact factor: 10.7)上發(fā)表題為“Highly conductive PANI/ATMP/AgNO₃ composite hydrogel electrodes for all-hydrogel-state supercapacitors”(DOI: 10.1039/D4TA07437H ) 的研究論文。該文章系統(tǒng)研究了氨基三亞甲基膦酸 (ATMP) 和硝酸銀 (AgNO₃) 對聚苯胺（PANI）水凝膠電極電導(dǎo)率和電化學(xué)性能的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，ATMP可以交聯(lián)多個(gè)質(zhì)子化PANI鏈，這有助于創(chuàng)建額外的導(dǎo)電途徑，并提高PANI/ATMP/AgNO₃水凝膠電極電化學(xué)性能。同時(shí)AgNO₃的引入為凝膠體系提供額外Ag⁺/Ag氧化還原對，進(jìn)一步提高了導(dǎo)電PANI水凝膠電極比電容。被還原的銀粒子均勻分布在水凝膠中形成導(dǎo)電通路，也可提高PANI電極電導(dǎo)率。基于該方法構(gòu)筑的導(dǎo)電PANI/ATMP/AgNO₃水凝膠電極，具有16.33 S m^-1的高電導(dǎo)率和510 F g^-1高比電容。基于該電極組裝全凝膠態(tài)超級電容器，該電子器件在功率密度為125 W kg^-1時(shí)具有13.3 Wh kg^-1的高能量密度。

Fig. 2. Schematic diagram of redox transformation of polyaniline and Ag

陶雪鈺副教授主要從事高分子材料、新能源材料及器件等研究，包括柔性儲能材料及器件、智能傳感材料及柔性電子器件、導(dǎo)電水凝膠和超高溫陶瓷先驅(qū)體等。與新加坡國立大學(xué)Ding Jun課題組周仕祥博士等合作在Nature Communications、Journal of Materials Chemistry C等國際高水平期刊發(fā)表多篇研究論文。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金資助。