吴忠帅教授，AFM综述：生物可降解高分子在超级电容器领域中的应用与展望

第一作者：吴鲁，师晓宇

通讯作者：吴忠帅*

单位：中国科学院大连化学物理研究所

超级电容器（SC）在未来可穿戴和可植入电子设备领域具有巨大的应用潜力，但传统材料的不可降解性导致其无法满足当今社会日益增长的环保要求。因此，具有令人满意的降解性和优异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，也必将在SCs的未来发展中发挥着不可替代的作用，并为其环境无害化处理做出贡献。

本文综述了现有生物可降解聚合物的分类及其典型结构、性质和制备工艺，并概括了生物可降解聚合物基SCs在制备策略和改性方法方面的研究进展，以及生物可降解聚合物在绿色SCs发展过程中的关键作用。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速生物可降解高分子在超级电容器领域的研究及实际应用。

基于此，中国科学院大连化物所吴忠帅研究员的工作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Recent Advancements and Perspectives of Biodegradable Polymers for Supercapacitors”的综述文章。该综述文章概括了常见生物可降解聚合物在超级电容器各组分（电极、电解质、封装材料或基底）中的应用研究现状，并分析展望了未来的挑战和发展方向。

图1. 生物可降解高分子在超级电容器中的应用及降解循环过程

生物可降解聚合物主要包括以淀粉、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由于其各自独特的分子结构和物理化学性质，使得它们在SC中发挥着各自不同的重要作用。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，可以更容易地通过氢键、共价键或配位相互作用制备成水凝胶电解质。

此外，羧甲基纤维素钠（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）和海藻酸钠可直接应用于电极领域，通常用作连接活性材料的粘合剂或流变剂，以增强电极的结构完整性和机械柔性。与天然生物可降解聚合物相比，合成生物可降解的聚合物具有可设计的分子结构和可控的分子量，类似于PI、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、和PET，这使它们成为生物可降解柔性基片和封装材料的重要候选者。这些柔性基板和封装材料将SC与外部环境隔离，以延长器件的使用寿命，避免机械损坏和周围腐蚀。

要点二：天然高分子基超级电容器

天然聚合物几乎分布在世界的每个角落，是构成多彩世界的基础。天然聚合物通常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应过程改性，促进了许多具有特定结构和性能的衍生天然聚合物的制备。

这些衍生物通常具有优异的水溶性、良好的生物相容性和生物降解性，这些无与伦比的特征为定制和优化具有所需形式和功能的天然聚合物基超级电容器（凝胶电解质、柔性基底薄膜、气凝胶电极）提供了可能性。因此，天然可降解聚合物由于其特殊的分子结构、丰富的物质来源和良好的生物降解性，为开发新型可降解和无害的超级电容器开辟了道路。

要点三：合成高分子基超级电容器

与天然生物可降解聚合物相比，化学合成方法可以对目标产物进行人工分子设计，并根据需要在分子链中引入不同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质和可控的降解速率，以满足产品的高性能和新功能的理想要求。合成可降解聚合物在可降解柔性基底和封装材料领域展示了极大的应用前景，有望实现储能器件的可降解封装。各种环境因素，如温度、湿度、pH和氧含量，对材料的降解过程有重要影响。

要点四：前瞻

环境友好和无害化是未来SC设计和建造的趋势和重要特征，是避免电子污染和保护自然环境的重要途径。生物可降解聚合物及其衍生材料被认为是实现这一目标的有希望的候选材料。

首先，关键问题是如何进一步提高生物可降解聚合物基电解质的综合性能，包括电化学性能和机械性能。在实际应用中，优良的机械性能可以确保器件较长的使用寿命，而且以水为单一溶剂的水凝胶很容易因蒸发或结冰而变得干燥和僵硬，这严重限制了其使用温度范围并缩短了其使用寿命。

第二，应探索实现大规模和低成本制备高性能生物可降解聚合物衍生碳电极材料的方法。因此，应致力于寻找完美且简便的方法，以实现在碳化过程中保持天然材料自身特殊结构的目标，并确保其优良性能的充分发挥。第三，迫切需要制备更多具有独特特性的新型合成生物可降解聚合物，如良好的弹性和优异的相容性，并研究其在超级电容器领域的应用。

Recent Advancements and Perspectives of Biodegradable Polymers for Supercapacitors

吴忠帅研究员简介：博士生导师，催化基础国家重点实验室508组组长、国家杰出青年科学基金获得者、英国皇家化学会会士、2018-2022年科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔“中国高被引学者”、超级电容产业联盟青年工作委员会副主任。主要从事二维材料化学与高效微纳电化学能源的应用基础研究，包括柔性化/微型化储能器件、超级电容器、电池和能源催化。已发表学术论文240余篇，被SCI引用32000余次。获国家自然科学奖二等奖、辽宁省自然科学奖一等奖、第十三届辽宁青年科技奖、卢嘉锡优秀导师奖、中国科学院大学优秀导师奖等。

担任Applied Surface Science副主编，J. Energy Chem.执行编委，Editorial Group Member for Natl Sci. Rev., Energy Storage Mater.、Science Bulletin、科学通报、Nanomaterials、Mater. Res. Express、Physics编委，Interdisciplinary Materials学术编辑，Chin. Chem. Lett.、eScience、物理化学学报青年编委、Engineering通讯专家。担任Adv. Mater.、J. Energy Chem.、Energy Storage Mater.、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J.、2D Materials、Chin. Chem. Lett.、新型炭材料杂志客座编辑；申请国际、国家标准各1项，获批国家标准1项；承担中组部、科技部、基金委、中科院等项目30余项。

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，研究领域主要集中在柔性超级电容器和天然聚合物水凝胶。

二维材料化学与能源应用研究组，依托催化基础国家重点实验室，主要研究方向主要包括石墨烯和二维材料化学与应用、微纳储能器件与微能源系统、表面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，包括研究员1人，副研究员4人，博士后15人，团队科研氛围浓厚。课题组目前的重点研究方向为二维材料化学与微纳电化学能源的应用基础研究。近期研究兴趣包括:

（1）二维材料的可控制备化学、独特性质及应用基础性研究，如二维材料能源化学（储能、表界面催化）、传感、光电、相变等；

（2）微纳电化学科学基础，研发微型电化学能源材料、微器件与微系统，构建高性能、功能化微型超级电容器、微型电池及其能源收集-储能-消耗集成微系统；

（3）高效电化学能源创新系统，包括超级电容器、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、环境催化），搭建二维模型能源器件，开展工况状态下电化学催化（ORR、HER、OER、CO₂RR等）、储能动态反应过程与机理的原位研究，结合理论计算揭示电化学输运性质和反应机理。

大连化物所二维材料化学与能源应用研究组吴忠帅研究员课题组长期致力于二维材料与高效微纳电化学能源的应用基础研究等。现因工作需要，面向国内外诚聘博士后3~5名。研究方向涉及石墨烯和二维材料化学与应用、微纳储能器件与微能源系统、表面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、理论计算等相关领域。

合作导师及课题组介绍详见：

一、应聘条件

1. 国内外知名大学或科研院所的优秀博士或博士后，已获博士学位或即将获得博士学位，年龄在35岁以内。

2. 身心健康，踏实勤奋，具有较强的独立工作能力和团队合作精神。

3. 具备扎实的材料、化学、物理等相关专业研究基础，具有电化学计算、二维材料制备、能源理论研究等研究背景的申请者优先考虑。

4. 近五年以第一作者在相关领域高水平学术期刊上发表过两篇以上SCI研究论文。

二、薪酬待遇

1. 享受与化物所职工等同的福利待遇，年薪28~50万元。

2. 鼓励协助申请各类学术人才项目和科研基金，包括博士后基金和国自然基金青年项目。

3. 提供一流的科研平台和充足的科研经费。

三、应聘材料和联系方式

1. 个人简历（应包含个人基本学习和工作经历等）。

2. 能证明本人能力、水平的相关资料，包括学历、学位证书，获奖证书，代表性论文等。

3. 其它能够证明应聘者水平和能力的材料。

4. 相关领域专家推荐信2封（其中1封为博士生导师推荐信）。

请将应聘材料发至吴忠帅究员（wuzs@dicp.ac.cn），邮件主题请注明“应聘博士后”。

投稿请联系contact@scimaterials.cn