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清华大学南策文院士、沈洋教授和华南理工大学黄明俊教授 Nat. Commun.: 在高温储能聚合物电介质领域取得进展

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-01-19 08:27

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介质电容器具有功率密度高、放电速度快、可靠性高等显著优点，在脉冲电源系统和电子系统中得到了广泛的应用。随着电子器件的进一步小型化和集成化，对介电材料的高温稳定性提出了更高的要求。将无机纳米颗粒掺入聚合物中是改善聚合物介电性能的有效途径。然而，无机纳米颗粒的团聚和有机-无机界面在高温下的不稳定限制了聚合物纳米复合材料走向大规模工业生产应用。

近日，清华大学南策文院士、沈洋教授联合华南理工大学黄明俊教授将具有氨基反应位点的自组装金属有机笼结合到聚醚酰亚胺基体中，合成了金属有机笼交联纳米复合材料。通过自组装的金属-有机笼进行原位交联，不仅实现了无机组分的均匀分布，而且构建了稳健的有机-无机界面，避免了传统纳米复合材料所带来的界面损耗，显著提升了高温击穿强度。最终，所开发的纳米复合材料表现出优异的能量密度，分别为7.53 J cm^-3（150°C）和4.55 J cm^-3 (200°C)，充放电效率为90%。并在200°C，300MV m^-1的条件下实现了十万次稳定充放电循环。

图1.金属-有机笼交联纳米复合材料的结构；（a）NH₂-TOC的单晶结构；（b）NH₂-TOC的动态光散射图谱；（c）传统纳米复合材料：PEI/TiO₂的结构示意图。多分散尺寸纳米颗粒物理混合在PEI基体中；（d）金属-有机笼交联纳米复合材料PEI-g-TOC的结构示意图。具有单分散尺寸和精确官能团的超分子TOC笼作为PEI网络的交联位点

相关研究成果以“增强高温电容储能性能的金属-有机笼交联纳米复合材料”（Metal-organic cage crosslinked nanocomposites with enhanced high-temperature capacitive energy storage performance）为题，于1月17日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

清华大学材料学院2022级博士生赵硕和华南理工大学前沿软物质学院2020级博士生彭威峰为论文的第一作者，清华大学南策文院士、沈洋教授和华南理工大学黄明俊教授为论文的共同通讯作者，其他重要贡献者包括清华大学材料学院博士后周乐，2021级博士生徐而翔。研究得到国家自然科学基金委和科技部国家重点研发计划的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56069-5

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