纳米结构化功能水凝胶：一类新兴的先进能源材料体系

随着化石燃料过度使用导致的环境污染日益严重，诸如风能、潮汐能、太阳能等绿色能源被视为最有潜力的新型能源，然而，这些可再生能源并不能直接使用，且高度依赖于天气气候和地理特征等外部环境。针对这类可再生能源的低成、本大规模采集及储存技术，近年来在科研界和产业界发展迅速。其中，电化学能量转换和存储技术能高效转换电能和化学能，已被证实是一种行之有效并且使用潜力巨大的策略。对于电池，电容器等电化学装置或系统，其氧化还原反应的基本机制是类似的而其对功能材料的基本要求可以概括为快速的电荷载体运输，比表面积大，化学稳定性高，和电化学活性高。因此，开发能够满足这些要求的先进材料对下一代的储能/转换装置十分重要。与传统的块体材料相比，纳米材料通常具有较快的粒子运输和大量的活性位点，因而被广泛用于能量转换和存储设备与系统中。在各种纳米材料中，物理或化学交联的高分子链组成的纳米结构水凝胶由于其高度可调的物理和化学物质而备受关注。这些水凝胶继承了聚合物的内在特性，包括高柔韧性，可拉伸性，高离子导电性与电化学活性等，并且可展现结构引起的扩展性能，如连续骨架，高表面积，可控结晶等。近日，德州大学奥斯汀分校余桂华教授课题组系统总结了纳米结构化功能水凝胶在能量转换以及存储方面的最新进展。同过对纳米结构化功能水凝胶的合成与功能化策略，以及相应的独特物理/化学特性的详细论述，集中阐释了这类新材老在可充电电池，超级电容器和催化剂等能量存储与转换设备中的应用策略，最后总结与展望了纳米水凝胶在能源转换与存储中的发展潜力。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。

纳米结构化功能性水凝胶作为一种新的多功能材料体系，被广泛应用于能源领域。水凝胶的合成方法主要包括交联聚合物链或单体以构建三维纳米结构的聚合物链网络。 这种聚合物网络可以通过不可逆的（如共价的）或可逆的（如超分子）相互作用交联而成， 并且这种分子结构可以通过调整交联密度，采用不同聚合物链和调整浓度实现不同的纳米结构以及结构衍生的特殊性质。除此以外，其他策略如杂原子掺杂，化学改性，和一维/二维纳米结构的组装也可用于改变此分子结构。通常，一维和二维纳米结构也可以组装成三维纳米结构用于应用。本文主要关注于三维结构的水凝胶在能源方面的应用。最常见的功能化策略是采用功能官能团或功能材料修饰水凝胶框架，引入特殊的纳米结构和新的化学/物理属性或新功能。除此之外，由纳米结构水凝胶衍生的三维框架如碳或陶瓷框架最近也被开发用于高性能储能或能量转换装置中。

电化学能量存储器件通常由两个电极和电解质组成。决定器件储能性能的决定因素是如何在各个组件中有效地传递电子或离子，以及各电化学活性成分发生反应的快慢。此外，循环稳定性和材料强度也是影响储能器件稳定性和能量密度的关键因素。由于纳米结构化功能水凝胶具有多级孔道结构，良好的柔性，内部互联结构等特性，该材料可被广泛用于电化学能量存储器件以提高其性能。本文总结了目前主要的纳米结构化功能水凝胶应用策略及其对储能器件性能的优化机制。

由于电化学氧化还原反应过程可产生富含氧气和氢气的副产物，这一过程可被用于能量转换技术，如燃料电池技术和电解水技术。这些技术的能量转化性能主要依赖于对应的电极反应，，例如氧还原反应（ORR），析氧反应（OER）或析氢反应（HER）。杂原子掺杂的碳基材料已被证实具有十分理想的电化学催化活性。然而，基于煅烧处理的掺杂过程使杂原子的掺杂位置、形式以及数量难以定量控制。纳米结构化功能水凝胶可以作为杂原子掺杂的碳材料前驱体，实现高度可控的掺杂。更重要的是，一些特殊的纳米结构凝胶可以直接用作不经高温煅烧的催化剂，降低了材料制备的能源消耗。

基于凝胶材料构筑新型多功能材料并其电化学性能，已经成为解决能源器件技术问题，开发新型高效储能、催化材料的重要选择。相关文章发表在Advanced Materials上（Adv. Mater. 30, 1801796， 2018）。

【核心示意图—纳米结构化功能水凝胶在能源储存和转化系统中的应用】

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨余桂华团队

主编丨张哲旭

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