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河南农业大学王霄鹏教授团队在《AFM》发表滤波电容器领域最新进展

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2023-12-11

导读：河南农业大学王霄鹏教授团队《AFM》或河南农业大学王霄鹏教授团队在《AFM》发表滤波电容器领域最新进展

文章信息

PEDOT:PSS/科琴黑多孔纳米片构建高比容kHz交流线路微型滤波电容器

第一作者：赵苗苗

通讯作者：秦毓辰*，王霄鹏*

单位：河南农业大学

研究背景

滤波电容器作为一种重要的电子元件，被广泛应用于汽车电子、光伏逆变器、手机、电脑等产品，它们起到转换交流电和直流电的作用。与当前商用电解电容相比，电化学电容在比容量、频率响应等方面有潜在优势，作为滤波电容使用有望促进器件整体向小型化、平面化、集成化方向发展，是下一代高性能滤波电容器的最佳选择。因此，发展高性能适用于滤波电容的电极材料成为关键。

文章简介

近日，来自河南农业大学的王霄鹏教授，在国际知名期刊AFM上发表题为“PEDOT:PSS/Ketjenblack Holey Nanosheets with Ultrahigh Areal Capacitance for kHz AC line-filtering Micro-supercapacitors”的研究论文。论文第一作者为河南农业大学硕士研究生赵苗苗，合作者为河南农业大学秦毓辰教授和清华大学曲良体教授。该论文提出了一种全新的电极材料用于高频滤波电容器，该材料是由科琴黑纳米颗粒和PEDOT:PSS纳米纤维 “点--线结合”构成的多孔二维纳米片。这种独特的材料结构设计不仅依靠纳米纤维提供了长程的电子传输网络，且利用纳米颗粒丰富的外表面构建了大量的电荷存储位点，同时“点--线”自由搭建遗留下的孔隙结构方便离子传输和迁移，从而使得电极材料具有良好电子传输和存储的同时具备出色的离子传导能力。将其作为电极材料所构建的滤波电容器在120Hz时相位角为−81.9°，面积容量为3.09 mF cm^-2。该实验结果明显改善了电化学电容高频容量低的问题。为下一代滤波电容器的发展提供有力的材料支撑。

图1. 新型PEDOT:PSS/科琴黑多孔纳米片微观结构和所制微型滤波电容器电化学性能及实物对比图。

本文要点

要点一：具有高频容量的PEDOT:PSS/科琴黑杂化多孔纳米片的构建

高频容量低是滤波电容器材料面临的最大挑战。解决这一问题首先需要电极材料具有良好的电子导电性和丰富的电荷存储位点，其次需要材料具有出色的离子传输能力以便及时响应外电场的频率变化。由于离子传导是整个电化学反应中的决速步，因此改善材料离子传导能力可以有效提高其对频率的响应性。同时，材料具有丰富外表面有利于提高其电荷存储能力，增强其电容值。鉴于此，我们设计了具有独特结构的二维多孔纳米片，该材料由科琴黑纳米颗粒和PEDOT:PSS纳米纤维，通过溶剂热的方式自组装得到。通过这种新颖的材料结构设计一举实现电极材料具有高频响应能力的同时，兼具高容量的特点。

图2. a) PEDOT:PSS/Ketjenblack水凝胶的制备示意图。b)冷冻干燥PEDOT:PSS/Ketjenblack水凝胶的SEM图像及其光学图像(插图)。c)冷冻干燥PEDOT:PSS/Ketjenblack水凝胶高倍放大后的SEM图像。d) PKHNs的TEM图像和e) AFM图像。

要点二：高性能滤波电容器薄膜电极制备

电极结构的有序性是促进离子传输的又一关键因素。我们借助纳米片二维结构的优势，构建了由二维纳米片组成的由于层层堆叠结构的薄膜电极。文中对其进行了微观结构的表征，证明了这一有序结构。由于纳米片具有多孔结构，因此离子可以有效透过薄膜进行传输，进一步改善其滤波性能。通过图3的电化学表征，不难发现所制电极在与同类电极材料的对比中具有明显优势。其电化学性能超越绝大多数现有材料，体现其优越性和替代性。

图3. a) PKHNs薄膜的制备过程示意图。b)具有任意所需形状和尺寸的PKHNs薄膜的光学照片;比例尺为1cm。c-d)不同厚度SC-PKHN的相角和CA随频率变化图。e) SC-PKHN与已有报道的相位角接近或小于-80°的化学电容器的CA比较。f) SC-PKHN-0.6的Nyquist图；插图中是高频部分的放大图。g)扫描速率为1000 V s⁻¹时SC-PKHN-0.6的CV曲线。h)面积比电容随频率变化的实部和虚部(C′和C″)图。

要点三：高性能平面微型滤波电容器电化学性能展示

基于上述电极所构建的平面微型滤波电容器表现出出色的交流线路滤波能力。如图4所示，可以对任意波形交流电实现稳定过滤，所输出的电流为稳定直流电，纹波电压小于50 mV。

图4. a)交流滤波电路原理图。b-f) SC-PKHN-0.6对任意波形的滤波性能，输入信号(60 Hz);

要点四：前瞻

该微型滤波电容器经过串联组装后，与相同电压的商用铝电解电容对比，在各方面电化学性能中展现出明显优势。同时，该微型电容器为二维平面电容，比三维块状商用滤波电容器有明显的体积优势。可以作为下一代滤波电容，为推动集成电路的小型化、平面化提供替代性选择。

图5. a) SC-PKHN-0.6-10与商用铝电解电容（AEC）的对比照片；比例尺为0.3 cm。b)扫描速率为1000v s⁻¹时装置的CV曲线。c)奈奎斯特图，插图为高频部分放大图。d)相位角与频率的关系。e) SC-PKHN-0.6-10与商用AEC在60hz时交流线路滤波性能的比较，图中为滤波后输出信号的扩展图。f) SC-PKHN-0.6-10对任意波形的滤波性能。

文章链接

PEDOT:PSS/Ketjenblack Holey Nanosheets with Ultrahigh Areal Capacitance for kHz AC line-filtering Micro-supercapacitors

通讯作者简介

秦毓辰 教授简介：河南农业大学拔尖人才，教授，中国石油大学(北京)获博士学位。目前的研究方向是功能化金属纳米材料的精准合成、纳米催化材料的表界面效应研究、电催化和光电催化。迄今为止，他已经以第一作者或通讯作者的身份在 Angew. Chem. Int. Ed. Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Small、 Journal of Catalysis和Chin. Chem. Lett.等优秀期刊上发表了数篇高水平文章。

王霄鹏 教授简介：河南农业大学拔尖人才，教授，北京理工大学获博士学位。研究方向为低维碳材料及导电高分子复合材料的功能化制备与电化学储能应用。近年来，一系列研究成果分别在 Nat. Commun., Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国际学术期刊发表，获国家授权专利 4 项；研究工作受到国家自然科学基金，河南省自然科学基金、河南农业大学人才项目等资助。

第一作者简介

赵苗苗，女，河南农业大学硕士研究生。