【Science Bulletin集锦】先进高分子与复合材料

Science Bulletin, 2020, 65(22): 1872-1873

Versatile catalytic strategy for polar-functionalized, cross-linkable, self-healing, and photo-responsive polyolefins

Yanshan Gao*, Tobin J. Marks*

多种催化制备极性修饰、可交联、可自修复以及光响应的聚烯烃

Science Bulletin, 2020, 65(14): 1137-1138

Nickel catalysts for the synthesis of ultra-high molecular weight polyethylene

谭忱, 陈昶乐*

镍催化剂用于超高分子量聚乙烯的制备

Science Bulletin, 2019, 64(9): 1385-1387

吴晓颖, 彭慧胜*

从聚合物材料合成、器件结构设计和功能集成3个方面, 总结了聚合物柔性生物电子器件最近的研究进展, 阐述了亟待解决的问题与挑战, 指出了未来可能的发展方向。

Science Bulletin, 2019, 64(24): 1830-1840

Lewis pairs polymerization of polar vinyl monomers

赵武超, 何江华, 张越涛*

根据路易斯酸种类的不同, 综述了最近路易斯酸碱对催化极性乙烯基单体聚合取得的进展。重点描述了聚合结果, 聚合机理以及目前应对的挑战和未来路易斯酸碱对聚合发展的方向。

Science Bulletin, 2020, 65(4): 300-307

Concerted steric and electronic effects on α-diimine nickel- and palladium-catalyzed ethylene polymerization and copolymerization

Qasim Muhammad, 谭忱, 陈昶乐*

对于过渡金属配合物类的烯烃聚合催化剂, 配体的位阻和电子效应能够显著影响其主要的催化性能。然而, 对于位阻和电子效应的同时调节在以往的研究中鲜有涉及。本文报道了一种以协同方式调节配体结构中的电子和位阻效应的策略。在含有二苯甲基取代基的α-二亚胺配体中, 在苯胺结构的3,4,5-位分别引入3个供电子的甲氧基或3个吸电子的氟取代基。上述甲氧基和氟取代基的引入, 不仅能够有效调节配体的电子效应, 还能够通过甲氧基或氟取代基与二苯甲基之间的空间排斥作用, 有效增加配体的空间位阻。在乙烯聚合中, 这种电子和位阻效应的协同作用的引入, 能够实现改进镍和钯催化剂的几种重要的催化性能参数, 包括催化活性、催化剂稳定性以及所得聚合物的分子量、熔点、支化密度。

Science Bulletin, 2020, 65(21): 1803-1811

Conductive Ni₃(HITP)₂ MOFs thin films for flexible transparent supercapacitors with high rate capability

赵为为, 陈田田, 王维康, 金贝贝, 彭佳丽, 毕帅航, 江梦月, 刘淑娟, 赵强*, 黄维*

柔性透明超级电容器是智能便携式电子设备的一种关键储能元件。目前, 开发具有高倍率性能的柔性透明电极仍面临着重要挑战。本文采用导电Ni₃(HITP)₂(HITP =2,3,6,7,10,11-六氨基三亚苯)金属有机框架薄膜作为柔性透明超级电容器的电极。当光学透光率为78.4%时, 片电阻为51.3 Ω sq^–1。当电流密度为5 μA cm^–2时,Ni₃(HITP)₂电极的面积电容达1.63 mF cm^–2。非对称Ni₃(HITP)₂//PEDOT:PSS超级电容器的光学透光率为61%。当电流密度为3 μA cm^–2时, 面积电容值为1.06 mF cm^–2, 当电流密度提高至50倍时, 面积电容值保有率为77.4%。Ni₃(HITP)₂薄膜具有的高导电性、短取向孔和大比表面积等特点, 促使Ni₃(HITP)₂电极具有低扩散电阻和高离子可及性的协同优势, 进而表现出高倍率性能。

Science Bulletin, 2020, DOI: 10.1016/j.scib.2020.07.008

A fluid-guided printing strategy for patterning high refractive index photonic microarrays

苏萌*, 孙雅丽, 陈炳达, 张泽英, 杨旭, 陈思思, 潘琪, Dmitry Zuev, Pavel Belov, 宋延林*

基于纳米绿色印刷技术, 发展了液体操控印刷制造高折射率光子微阵列的新方法。完全摆脱光刻技术的限制, 在硅晶片上制备微米沟道并复型得到柔性微米模板。通过构造柔性微模板-硒-目标基底的夹层印刷结构, 加热至硒的玻璃化转变温度之上, 硒的流动特性使其在目标基底与微米模板之间定向收缩, 显著缩小结构特征尺寸并形成定向图案化微阵列。最终, 在微结构宽度为18 μm的微模板诱导下印刷制备了宽度为1.9 μm的硒微米阵列, 尺寸微缩可达近10倍并实现图案化。硒微阵列具有高折光效率, 可实现角度依赖的结构色和偏振调控。

Science Bulletin, 2020, 65(11): 889-898

Design of next-generation cross-linking structure for elastomers toward green process and a real recycling loop

张刚刚, 冯皓然, 梁宽, 王朝, 李晓林, 周鑫鑫*, 郭宝春*, 张立群*

本文提出了一种基于可水解酯基的橡胶材料绿色交联策略。选择商品化的羧化丁腈橡胶(XNBR)中的羧基作为交联点, 生物基环氧大豆油(ESO)替代硫磺作为交联剂, 基于羧基与环氧基团之间的反应, 本文构建了一个含酯基的交联网络结构。在交联反应发生前, 生物基的ESO还可以起到增塑剂的作用, 有着“一剂多用”的效果。此外, 氧化锌(ZnO)可作为交联反应的催化剂, 提高交联效率；同时, 锌离子与羧基形成的离子对或离子簇可作为增强点, 从而提高材料的力学性能。这种交联方法不使用任何有毒的化学物质, 并且在交联反应过程不会产生挥发性有机物。通过改变ESO或ZnO的用量, 可以实现对交联橡胶的交联速率、交联密度和力学性能等的调节。最后, 通过化学回收的方法, 可以将交联结构中的酯基选择性地断开, 得到一种高效的橡胶回收方法。在酸的催化下, 橡胶交联结构中的酯基被水解成羟基和羧基, 重新得到线性的XNBR。利用该方法, XNBR可以被多次循环使用。

Science Bulletin, 2019, 64(3): 151-157

Piezoluminescent devices by designing array structures

鲍戮克, 徐晓婕, 左勇, 张静, 刘飞, 杨易凡, 徐凡, 孙雪梅*, 彭慧胜*

利用在基底上设计的凸起阵列结构，实现应力集中和增强形变，从而发展了一种能够在低压力下有效发光的器件。进一步，通过设计双层结构的复合发光膜，利用压力改变实现了发光颜色的调控。该工作为有效将机械能转换成光能提供了一种新的思路，所构建的低压力发光器件在发光地板和应力激发的显示等方面具有良好的应用前景。

Science Bulletin, 2020, 65(20): 1752-1759

Liquid metal-integrated ultra-elastic conductive microfibers from microfluidics for wearable electronics

余筠如, 郭佳慧, 马标, 张大淦, 赵远锦*

液体金属作为室温下呈现出液态的金属是推动未来发展的新材料。目前已有不少研究基于液体金属开发具有新功能的材料、设备和器件, 并不断优化它们在实际应用中的性能。本文提出了集成液体金属的超弹纤维, 其展现出独特的性质, 并有望被应用于可穿戴电子设备。利用程式化微流控纺丝和灌注技术, 可以连续地制备具有超弹聚氨酯外壳和液体金属内核的纤维材料。微流控技术能够对微量的液体进行方便又精确的控制, 该方法制备的纤维材料具有可调节的结构形貌, 并具备不同的导电能力。将制备所得纤维进一步集成到弹性薄膜中, 所构成的复合薄膜材料由于发生形变而表现出电阻的变化, 因此能够用于压力传感器和运动指示器。此外, 利用液体金属卓越的性质, 能够实现电磁和电热等不同形式能量的转换。所制备的集成液体金属的超弹纤维为可穿戴电子设备、液体金属集成材料的研究开辟了新思路。

Science Bulletin, 2020, 65(11): 899-908

Flexible conductive Ag nanowire/cellulose nanofibril hybrid nanopaper for strain and temperature sensing applications

尹锐, 杨帅渊, 栗乾明, 张帅迪, 刘虎*, 韩健, 刘春太, 申长雨

本文以“绿色”纤维素纳米纤维(CNF)为基体, 银纳米线(AgNW)为导电填料, 采用溶液共混-真空抽滤工艺制备了柔性银纳米线/纤维素纳米纤维导电复合纳米纸, 并研究了其在应变和温度传感器方面的应用。采用热压成型工艺制备了以该导电复合纳米纸为导电夹层的“三明治”结构拉伸应变传感器, 并通过预应变处理工艺在其内部成功构建了超灵敏的“微裂纹”结构, 使其具有高灵敏度、超低的探测限(0.2%)、良好的稳定性、重复性和耐疲劳性。当该导电复合纳米纸作为弯曲传感器时, 其对不同的弯曲模式具有不同的响应性能, 具有优异的可识别性。同时, 其对外场温度还具有特殊的“负温度效应”, 且具有优异的稳定性和可回复性。因此, 该“绿色”导电纳米复合纳米纸在制备新型应变和温度传感器方面具有巨大的应用潜力。

Science Bulletin, 2020, 65(10): 812-819

Superstructured α-Fe₂O₃ nanorods as novel binder-free anodes for high-performing fiber-shaped Ni/Fe battery

刘承龙, 李秋龙, 曹景雯, 张其冲, 满萍, 周振宇, 李朝威, 姚亚刚*

本文首先通过溶剂热法在导电碳纳米管纤维上合成超结构α-Fe₂O₃纳米棒, 随后在其表面包覆了一层PPy, 从而获得负极材料, 并用于组装了高性能全固态纤维状镍铁电池。该工作的突出亮点在于超结构3D α-Fe₂O₃纳米棒具有丰富的空位和通道, 有效地缩短了离子传输的距离; 此外, 丰富的通道使离子易于与内部活性物质反应, 从而改善了电化学性能, 因此合成的α-Fe₂O₃电极材料具有高的比容量和优异的倍率性能。总的来说, 本文在导电CNTF上合成具有高电化学性能的超结构α-Fe₂O₃@PPy核壳纳米棒电极材料。独特的超结构α-Fe₂O₃@PPy纳米棒由于其较大的比表面积和较高的电导率而显著改善了电化学性能; 高导电性的PPy壳层亦明显增强了电子和离子的扩散。该工作有助于高能量密度水系可穿戴式电池的发展, 为未来便携式和可穿戴电子产品提供动力。

Science Bulletin, 2020, DOI: 10.1016/j.scib.2020.10.023

Cementitious grain-boundary passivation for flexible perovskite solar cells with superior environmental stability and mechanical robustness

胡笑添，孟祥川，杨霞，Zengqi Huang, Zhi Xing, Pengwei Li, Licheng Tan, Meng Su, Fengyu Li, 陈义旺*，宋延林*

钙钛矿太阳电池作为新能源热点领域受到了众多研究者的广泛关注。相比于市场上的硅基太阳能电池，钙钛矿太阳电池在柔性穿戴应用上展现出巨大的商业潜力。尽管柔性钙钛矿的光电转换效率取得了飞速的进展(＞19%)，但是其在柔韧性以及环境稳定性方面的发挥却不尽人意。过去的研究表明钙钛矿薄膜的退化以及裂纹的延伸点往往来自晶界处，严重抑制了多晶钙钛矿器件的稳定性和进一步应用。在这里，我们将磺化石墨烯添加到钙钛矿薄膜晶界处，与无机骨架[PbI₆]^4-相互作用构筑了“水泥晶界”。这种晶界处的复合物可以有效钝化碘空位缺陷，并且通过增韧和阻水的钙钛矿晶界使得器件本身展现出极好的阻水性以及柔韧性。最终，基于“水泥晶界”策略的钙钛矿太阳电池器件在1.01平方厘米的有效面积上获得20.56%的光电转换效率，并展现出了出色的环境稳定性和耐弯折能力。