中科院大连化物所吴忠帅研究员/冯亮研究员 Small：多功能二维介孔聚苯胺/石墨烯锌离子微型电池及其集成微系统

要点一：二维介孔聚苯胺/石墨烯纳米片（mPANI/G）的制备

图1. 二维介孔聚苯胺/石墨烯纳米片的表征。（a-b）SEM图片，（c）TEM图片，（d）HETEM图片，（e）AFM图片和对应厚度，（f）氮气物理吸脱附曲线及其孔径分布图。

本文利用一种软模板法可控制备了mPANI/G纳米片。具体地，通过静电吸附和氢键作用力，将PS₁₀₀-PEO₁₁₅胶束吸附在氧化石墨烯（GO）纳米片表面得到PS-PEO@GO。然后以过硫酸铵为引发剂引发苯胺在PS-PEO@GO表面发生聚合得到PANI/PS-PEO@GO。随后，用四氢呋喃洗涤，去除PS-PEO模板，最后通过水热处理即可得到有序的介孔mPANI/G纳米片。所得的纳米片具有平整的二维结构、均匀的孔结构，横向尺寸为1-3 μm，表面介孔约为18 nm。

要点二：二维介孔聚苯胺/石墨烯基锌离子微型电池的构建

图2. 二维介孔聚苯胺/石墨烯基锌离子微型电池的制备及电化学性能。（a）锌离子微型电池的制备示意图及其光学照片。（b）正极和（c）Zn电极截面SEM图像。(d) CV和(e) GCD曲线，（f）电容和扩散的占比、（g）2 mV s^-1下，电容（橙色）和扩散（空白）的贡献量在CV曲线中的体现。（h）倍率，（i）2 mA cm^-2下的循环性能。

利用模板辅助抽滤的方法，以电化学剥离的石墨烯为集流体、锌粉为负极、mPANI/G纳米片为正极、ZnSO₄为电解液，构建了高安全的水系锌离子微型电池。通过电化学测试，可发现孔结构对电极中电容和扩散贡献产生重要的影响，介孔结构会促进赝电容容量的发挥。该锌离子微型电池可实现4000圈后容量保持率为97%。

要点三：二维介孔聚苯胺/石墨烯可实现无枝晶锌负极的构建

图3. 以Zn和Zn@mPANI/G为电极的Zn//Cu和Zn//Zn电池的电化学性能。（a）mPANI/G抑制锌枝晶的示意图。（b）1 mA cm^-2的电流密度和0.25 mAh cm^-2沉积量下的库伦效率。（c）不同电流密度和沉积量下，以Zn@mPANI/G为电极的对称锌电池的倍率性能。（d）Zn//Zn@mPANI/G在0.2 mA cm^-2和0.05 mAh cm^-2沉积量下的电压-时间曲线。（e）Zn//Cu和（f）Zn@mPANI/G//Cu的GCD曲线。（g）Zn//Zn和Zn//Zn@mPANI/G在2 mA cm^-2和0.5 mAh cm^-2沉积量下的电压-时间曲线。

二维介孔聚苯胺/石墨烯可修饰金属锌负极，利用介孔结构缓冲体积膨胀同时均匀电荷密度，引导锌的均匀沉积，抑制锌枝晶的产生，形成稳定的锌负极。通过修饰后的锌金属负极可使表面过电势从300 mV降低到48 mV，提高库伦效率，介孔纳米片具有丰富的官能团和介孔结构，可诱导锌离子的均匀沉积，提高循环寿命。

要点四：锌离子微型电池-气体传感器集成微系统的构建

图4. （a）mPANI/G-ZIMBs-气体传感器集成微系统的制备流程图。（b,c）2-20 ppm NH₃下，ZIMB驱动传感器的（b）间歇响应曲线和（c）响应值。（d）20 ppm NH₃下，在不同弯曲角度下ZIMB驱动传感器的响应值以及在不同角度下的光学照片。(e) 串并联示意图,（f）并联和（g）串联的GCD曲线。

由于聚苯胺是一种灵敏的气体传感材料并且具有良好的电化学性能，将其同时作为微型锌离子电池的正极和NH₃传感的活性材料，构建了锌离子微型电池-气体传感器集成化的微系统。以掩模版辅助抽滤法将微型电池和传感器成功集成于同一平面基底上，实现了模块兼容的性能，同时简化了加工过程。该传感器再NH₃浓度为20 ppm时，具有123%的高灵敏响应性。该集成微系统在不同的弯曲角度下表现出良好的点击稳定性和对NH₃稳定的相应特性。

原文链接

Multifunctional Mesoporous Polyaniline/Graphene Nanosheets for Flexible Planar Integrated Microsystem of Zinc Ion Microbattery and Gas Sensor

https://doi.org/10.1002/smll.202200678

作者简介

吴忠帅 研究员简介，中国科学院大连化学物理研究所首席研究员、催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）组长、博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、英国皇家化学会会士、2018-2021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、微型化平面储能器件、超级电容器、电池和能源催化。已在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.等期刊发表学术论文220余篇，所有文章被SCI他引29000余次，36篇论文入选ESI高被引论文；申请国家发明专利90余项（其中授权17项）；申请国际标准/国家标准各1项、获批国家标准1项。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、中科院百人计划终期评估优秀、中科院优秀导师奖、卢嘉锡优秀导师奖、中国科学院大学-澳大利亚必和必拓优秀导师奖等奖项或荣誉。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.、Nanomaterials、Journal of Physics: Energy、Mater. Res. Express、Physics编委，Chin. Chem. Lett.、eScience、物理化学学报青年编委、中国工程院院刊Engineering清洁能源通讯专家。担任Adv. Mater.、Energy Storage Mater.、J. Energy Chem.、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J.、2D Materials、Chin. Chem. Lett.、新型炭材料杂志客座编辑。

冯亮 研究员简介，中国科学院大连化学物理研究所首席研究员，博士生导师，仪器分析研究室室主任，化学传感器研究组（106组）组长。主要从事光化学比色传感器、半导体气体传感器、电化学传感器等新原理、新方法及新技术等方面的基础和应用研究。先后以第一作者及通讯作者（含共同）在Nature Chemistry, J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Anal. Chem.等上发表SCI论文80余篇，授权美国专利 1项，申请国内专利100余项，已授权46项。

吴忠帅研究员课题组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、固态电池、钠/锌/铝离电池等；

（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。

研究组网页：http://www.zswu.dicp.ac.cn/