第一作者：Dongwei Li

通訊作者：孔彪

通訊單位：復旦大學

背景介紹

目前自支撐分層薄膜器件受到廣泛關注，其中以二維材料，例如石墨烯、氮化硼、黑磷、聚合物、過渡金屬碳化物等作為主要結構單元的器件被應用于電子、催化、傳感、能源存儲和轉化領域。分層結構可以提供堅固穩定的物理框架，但是被制備成能源器件中的電極時容易發生結構堆疊，從而導致活性面積的明顯降低、離子擴散路徑的增長、離子傳輸速率的減慢。因此，需要開發具有獨特物理化學性質和形態穩定性的納米材料用于構建分層器件。

諸如碳基材料，大分子和聚合物等軟物質可以提供豐富的表面化學位點，這通常是能源體系中界面反應和快速電荷轉移所必需的；然而，該類材料結構缺乏機械剛性和高穩定性。具有分層結構的功能化軟物質復合材料在能源應用方面具有獨特的優勢。迄今為止，已經開發了多種制備分層軟物質復合材料的方法。因為反應界面為分層結構的合成和調控提供了豐富而關鍵的空間，兩相界面在合成過程中起著至關重要的作用。借助界面組裝策略設計具有分層結構的軟物質復合材料十分必要。

成果簡介

有鑒于此，復旦大學孔彪研究員（通訊作者）等系統地總結了利用液固界面組裝策略制備用于電化學能源體系的自支撐分層軟物質薄膜器件方面的工作，闡述了七種主要的液固界面組裝方法、合成機制、功能化策略，以及該類薄膜器件在五種典型能源體系中的應用（如下圖），包括超級電容器、鋰/鈉金屬電池、鋰/鈉離子電池、鋰硫電池、水的電化學/光電化學分解等，并對該領域今后的發展方向進行了探討與展望。

 TOC

要點1：抽濾界面組裝法

圖1（a）GO-PIL雙層膜的制備示意圖。（b-f）GO, rGO, 生長在柔性塑料基底上的GO, CCG(chemically converted graphene), MnO₂ nanowires/CNT薄膜的照片。

要點2：超晶格界面組裝法

圖2（a）自支撐金納米顆粒超晶格薄膜的制備示意圖。（b）TEM，（c,d）3D STEM拓撲重構圖像。

要點3：溶劑鑄膜界面組裝法

圖3（a）GO膜制備示意圖。（b）干燥的GO膜照片。（c）Li_xM/graphene膜制備示意圖。（d）整張Li_xSi/graphene膜照片和微結構示意圖。

要點4：溶劑揮發誘導自組裝

圖4（a）H-TiO₂膜制備示意圖。（b,c）H-TiO₂膜的SEM圖像。（d）自支撐有序介孔TiO₂薄膜、摻雜過渡金屬(Cr, Ni, Co)、沉積CdS量子點的制備示意圖。（e）450 ℃空氣中煅燒合成的介孔TiO₂薄膜的SEM。（f）TEM圖像。（g）超小石墨納米點直接嵌入到多種高度有序介孔骨架(介孔二氧化硅、碳、碳硅復合物、二氧化鈦)的制備示意圖。（h）超小石墨納米點直接嵌入到介孔二氧化硅骨架的SEM圖像。（i）超小石墨納米點直接嵌入到高度有序介孔碳硅復合物骨架的SEM圖像。

要點5：浸涂界面組裝法

圖5（a,b）介孔石墨烯納米片的SEM圖像。（c）介孔石墨烯納米片的制備示意圖。（d）泡沫鎳負載的PEI/RGO的制備示意圖。

要點6：旋涂界面組裝法

圖6（a）旋涂法制備介孔碳薄膜的照片。（b）旋涂法制備介孔碳/硅薄膜的照片。（c）旋涂法制備基于金納米線的柔性薄膜的照片。（d）旋涂法制備鈣鈦礦薄膜的照片。（e）旋涂法制備自支撐混合IPN納米薄膜示意圖。（f）旋涂法制備可伸縮的晶體管陣列示意圖。

要點7：電紡絲界面組裝法

圖7（a）具有蓮藕狀多級孔道結構的碳纖維的制備示意圖。（b）一系列透明空氣過濾膜的制備示意圖和照片。（c）卷對卷技術制備納米纖維膜的示意圖。

要點8：其它液固界面組裝法

圖8（a）重力擠壓法制備納米多孔聚乙烯纖維膜的示意圖。（b）三卷軸納米多孔聚乙烯纖維的照片。（c）納米多孔聚乙烯纖維的SEM圖像。（d）整張納米多孔聚乙烯纖維編織物的照片。（e）紫外誘導自由基聚合法制備poly (acrylamide-co-acrylicacid) P(AAm-co-AA)水凝膠的示意圖。（f）電化學沉積法制備多孔P(AAm-co-AA)/PPy膜的示意圖。（g）多孔P(AAm-co-AA)/PPy膜的照片。（h）多孔P(AAm-co-AA)/PPy膜的SEM圖像。

小結與展望

文末，作者還展望了未來自支撐分層軟物質薄膜器件應用的潛在方向（如下圖）。強調了通過設計自支撐分層軟物質薄膜器件，以有效地解決能量存儲，轉換和生產技術的實際應用挑戰。通過探索分層結構與能源相關應用性能之間的相關性，本文提出了結構特征對性能影響的深入理解，以更好地設計分層納米結構來滿足特定應用的要求。我們認為，先進的表征技術可以進一步推動這一領域的發展。

展望

參考文獻：

Dongwei Li,Kang Liang, Wenlong Cheng,Changming Li, Dongyuan Zhao, Biao Kong. Liquid–Solid Interfacial Assemblies of Soft Materials for Functional Freestanding Layered Membrane–Based Devices toward Electrochemical Energy Systems. Advanced Energy Materials, 2019.

DOI:10.1002/aenm.201804005

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201804005

通訊作者簡介：

孔彪  博士，上海市特聘專家，國家海外高層次引進特聘專家，復旦大學研究員，博士生導師，國際刊物Materials TodaySustainability (Elsevier)顧問編委。曾任美國斯坦福大學材料科學與工程系研究員、香港科技大學及美國南加州大學訪問教授。博士畢業于澳大利亞 Monash 大學與復旦大學獲工學與理學博士學位，國外博士畢業論文被學位委員會選為澳大利亞Monash大學優秀博士論文校長獎。師從中國科學院趙東元院士、CordeliaSelomulya教授、澳大利亞科學院與工程院兩院院士Frank Caruso教授、斯坦福大學大學Yi Cui教授。曾任墨爾本大學化學與生物分子工程系任專項研究員，任職期間榮獲澳大利亞“維多利亞學術之星”榮譽稱號。曾任澳大利亞Monash大學研究生會學術副主席，澳中科學家創業協會主要發起人并任常務委員。

榮獲上海市自然科學一等獎（2018）、孔子教育基金會優秀科學家獎（2018）、中國新加坡前沿科技創新大會優秀報告獎（2017）、澳大利亞 Monash 大學優秀博士論文校長獎（2016）、上海市青少年發展創新市長獎（2015）、國際IChemE全球獎提名獎IChemE Global Awards（2015）、澳大利亞工程師與高級工程師博士生群體成員（2014）、澳大利亞顆粒研究學會國際學術獎（2014）、寶鋼教育基金特等獎獲得者（全國排名一名，2014）、澳大利亞“維州學術之星”榮譽稱號（2014）、“陶氏化學可持續發展創新獎”一等獎（2013）、中國教育部“博士研究生學術新人獎”（2012）、中國分析測試協會科學技術獎(CAIA 獎)一等獎（2012）等榮譽及獎勵。

回國后組建軟界面智能材料與器件課題組，主要開展軟界面智能材料與器件組裝及集成工作，特別是提出并命名了超組裝框架材料（SAFs）新概念，面向軟界面仿生材料設計及組裝、軟界面智能傳感與探測芯片集成、新型微型化可植入新能源器件構建的研究和應用開發，致力于為醫用臨床傳感、軟界面電子光電子器件、仿生軟界面儲能器件等領域提供高效可持續的智能材料及器件。

近年來，孔彪研究員已在《自然·化學》Nature Chemistry、《科學·進展》Science Advances等期刊上發表高質量的學術論文近80篇，相關研究成果被 Nanowork、PHYS&ORG、Chem.Views 等多家新聞媒體和雜志報道，并被 Weily 雜志選為特別專題與研究熱點，被英國皇家化學會（RSC）選為Chem. Soc. Rev.封面及熱點文章，也被 Chemistry World 選為中國最具有應用前景的科研成果報道，以及被自然出版集團選為自然亞洲材料研究亮點總結。主持及參與國家重點研發計劃、軍委科技委基礎加強計劃重點項目、國家超級計算材料基因組重大創新工程等項目多項。