北京林业大学本科生在中国工程院院刊FCSE发表论文：柔性、超薄、多功能聚吡咯/纤维素纳米纤维复合膜

第一作者：张雅歌

通讯作者：袁琪、马明国

单位：北京林业大学

柔性可穿戴电子设备是研究的热点。在能量转换、电子皮肤、人工智能等多功能应用的需求下，高质量负载、高比容量、优良力学性能的薄电极作为柔性设备的重要材料引起了广泛关注。导电聚合物是一类赝电容电极材料，具有低成本、高导电性、高存储容量和可逆性的优良特点。来源于生物质的纤维素纳米纤维(CNFs)不仅表面光滑，结构可控，而且具有较高的机械强度和透光率，可为导电聚合物构建的复合电极提供大而均匀的表面积，用于电荷存储能满足设计储能装置的要求，具有很大潜力。

基于此，北京林业大学马明国教授团队在中国工程院院刊Frontiers of Chemical Science and Engineering上发表题为“Flexible, ultrathin, and multifunctional polypyrrole/cellulose nanofiber composite films with outstanding photothermal effect, excellent mechanical and electrochemical properties”的论文。该论文第一作者为北京林业大学本科生张雅歌，研究得到国家级大学生创新创业训练计划资助。

该论文报道了通过真空抽滤和原位聚合的方法制备柔性、超薄、多功能的聚吡咯(PPy)/纤维素纳米纤维(CNF)复合薄膜。致密的夹层结构和强界面相互作用使PPy/CNF复合膜具有优良的柔韧性、优异的机械强度和理想的韧性。对比证实了季胺功能化改性CNFs的PPy/CNF复合膜电极质量比电容(392.90 F g^-1)和面积比电容(3.32 F cm^-2)高于未修饰和羧基功能化CNFs的电极。此外，复合膜还具有良好的光热转换性能，为制备多功能复合薄膜提供了一种可行方案，在储能与机械和光热性能相结合的电极领域展现出广阔的应用前景。

本研究采用真空抽滤法制备纳米纤维素薄膜并原位聚合制备PPy/CNF复合膜：Py单体溶液在引发剂Fe³⁺的作用下进行原位聚合，并与未经改性的纤维素纳米纤维(CNF-1)、羧酸官能化纤维素纳米纤维(CNF-2)和季胺官能化纤维素纳米纤维(CNF-3)形成氢键连接，即在CNF的表面生长了一层PPy，实现了复合膜的合成。夹层结构和强界面相互作用使其具有良好的柔性、优异的机械强度和理想的韧性。这些特性使其在柔性电极和光热材料等方面展现出潜在的应用前景。

要点二：PPy/CNF复合膜优异的力学性能和导电性

CNF结晶度高，具有优良的力学性能，CNF的引入可以显著改善聚吡咯的力学性能，拓展聚吡咯的应用范围。研究通过复合膜的应力-应变曲线、力学性能对比、厚度对比、不同弯曲角度和循环次数下电阻变化对比、电阻和电导率的对比等测试，评价了不同复合膜的性能。

要点三：PPy/CNF复合膜的电化学性能

在电化学性能测试方面，通过循循环伏安法(CV)、恒流充放电(GCD)和电化学阻抗谱(EIS)测试获取了数据，并在不同充放电电流密度下进行重量电容和面积电容对比，利用能斯特图和电容保持率的循环稳定性测试对不同复合膜的电化学性能进行了分析。

要点四：PPy/CNF复合薄膜的光热性能

研究了PPy/CNF复合薄膜在不同功率密度下的升温和降温曲线，并拍摄了不同功率密度下复合薄膜的红外热像图进行直观展示。结果表明，PPy/CNF复合膜具有较宽的响应范围，并且在低强度光照射下也表现出快速的热响应，能快速吸收近红外光并将光能转化为热，样品的表面温度能实现显著升高并达到稳态值。这种优异的光热性能和广泛的响应范围都可以提高多功能复合薄膜的适用范围。

Zhang, YG, Huang, LZ, Yuan, Q, Ma, MG. Flexible, ultrathin, and multifunctional polypyrrole/cellulose nanofiber composite films with outstanding photothermal effect, excellent mechanical and electrochemical properties. Front. Chem. Sci. Eng. (2022). https://doi.org/10.1007/s11705-022-2251-2

马明国教授简介：现为北京林业大学材料科学与技术学院教授、博士生导师。已发表SCI收录论文100余篇，发表的论文被他人引用6000余次，单篇最高被引次数630， H-Index指数41，获授权发明专利14件，被邀请撰写综述论文34篇，参与编写英文专著章节14部。主要从事多功能柔性可穿戴智能纤维织物研究。

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