第一作者：Dongwei Li

通讯作者：孔彪

通讯单位：复旦大学

背景介绍

目前自支撑分层薄膜器件受到广泛关注，其中以二维材料，例如石墨烯、氮化硼、黑磷、聚合物、过渡金属碳化物等作为主要结构单元的器件被应用于电子、催化、传感、能源存储和转化领域。分层结构可以提供坚固稳定的物理框架，但是被制备成能源器件中的电极时容易发生结构堆叠，从而导致活性面积的明显降低、离子扩散路径的增长、离子传输速率的减慢。因此，需要开发具有独特物理化学性质和形态稳定性的纳米材料用于构建分层器件。

诸如碳基材料，大分子和聚合物等软物质可以提供丰富的表面化学位点，这通常是能源体系中界面反应和快速电荷转移所必需的；然而，该类材料结构缺乏机械刚性和高稳定性。具有分层结构的功能化软物质复合材料在能源应用方面具有独特的优势。迄今为止，已经开发了多种制备分层软物质复合材料的方法。因为反应界面为分层结构的合成和调控提供了丰富而关键的空间，两相界面在合成过程中起着至关重要的作用。借助界面组装策略设计具有分层结构的软物质复合材料十分必要。

成果简介

有鉴于此，复旦大学孔彪研究员（通讯作者）等系统地总结了利用液固界面组装策略制备用于电化学能源体系的自支撑分层软物质薄膜器件方面的工作，阐述了七种主要的液固界面组装方法、合成机制、功能化策略，以及该类薄膜器件在五种典型能源体系中的应用（如下图），包括超级电容器、锂/钠金属电池、锂/钠离子电池、锂硫电池、水的电化学/光电化学分解等，并对该领域今后的发展方向进行了探讨与展望。

 TOC

要点1：抽滤界面组装法

图1（a）GO-PIL双层膜的制备示意图。（b-f）GO, rGO, 生长在柔性塑料基底上的GO, CCG(chemically converted graphene), MnO₂ nanowires/CNT薄膜的照片。

要点2：超晶格界面组装法

图2（a）自支撑金纳米颗粒超晶格薄膜的制备示意图。（b）TEM，（c,d）3D STEM拓扑重构图像。

要点3：溶剂铸膜界面组装法

图3（a）GO膜制备示意图。（b）干燥的GO膜照片。（c）Li_xM/graphene膜制备示意图。（d）整张Li_xSi/graphene膜照片和微结构示意图。

要点4：溶剂挥发诱导自组装

图4（a）H-TiO₂膜制备示意图。（b,c）H-TiO₂膜的SEM图像。（d）自支撑有序介孔TiO₂薄膜、掺杂过渡金属(Cr, Ni, Co)、沉积CdS量子点的制备示意图。（e）450 ℃空气中煅烧合成的介孔TiO₂薄膜的SEM。（f）TEM图像。（g）超小石墨纳米点直接嵌入到多种高度有序介孔骨架(介孔二氧化硅、碳、碳硅复合物、二氧化钛)的制备示意图。（h）超小石墨纳米点直接嵌入到介孔二氧化硅骨架的SEM图像。（i）超小石墨纳米点直接嵌入到高度有序介孔碳硅复合物骨架的SEM图像。

要点5：浸涂界面组装法

图5（a,b）介孔石墨烯纳米片的SEM图像。（c）介孔石墨烯纳米片的制备示意图。（d）泡沫镍负载的PEI/RGO的制备示意图。

要点6：旋涂界面组装法

图6（a）旋涂法制备介孔碳薄膜的照片。（b）旋涂法制备介孔碳/硅薄膜的照片。（c）旋涂法制备基于金纳米线的柔性薄膜的照片。（d）旋涂法制备钙钛矿薄膜的照片。（e）旋涂法制备自支撑混合IPN纳米薄膜示意图。（f）旋涂法制备可伸缩的晶体管阵列示意图。

要点7：电纺丝界面组装法

图7（a）具有莲藕状多级孔道结构的碳纤维的制备示意图。（b）一系列透明空气过滤膜的制备示意图和照片。（c）卷对卷技术制备纳米纤维膜的示意图。

要点8：其它液固界面组装法

图8（a）重力挤压法制备纳米多孔聚乙烯纤维膜的示意图。（b）三卷轴纳米多孔聚乙烯纤维的照片。（c）纳米多孔聚乙烯纤维的SEM图像。（d）整张纳米多孔聚乙烯纤维编织物的照片。（e）紫外诱导自由基聚合法制备poly (acrylamide-co-acrylicacid) P(AAm-co-AA)水凝胶的示意图。（f）电化学沉积法制备多孔P(AAm-co-AA)/PPy膜的示意图。（g）多孔P(AAm-co-AA)/PPy膜的照片。（h）多孔P(AAm-co-AA)/PPy膜的SEM图像。

小结与展望

文末，作者还展望了未来自支撑分层软物质薄膜器件应用的潜在方向（如下图）。强调了通过设计自支撑分层软物质薄膜器件，以有效地解决能量存储，转换和生产技术的实际应用挑战。通过探索分层结构与能源相关应用性能之间的相关性，本文提出了结构特征对性能影响的深入理解，以更好地设计分层纳米结构来满足特定应用的要求。我们认为，先进的表征技术可以进一步推动这一领域的发展。

展望

参考文献：

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

通讯作者简介：

孔彪  博士，上海市特聘专家，国家海外高层次引进特聘专家，复旦大学研究员，博士生导师，国际刊物Materials TodaySustainability (Elsevier)顾问编委。曾任美国斯坦福大学材料科学与工程系研究员、香港科技大学及美国南加州大学访问教授。博士毕业于澳大利亚 Monash 大学与复旦大学获工学与理学博士学位，国外博士毕业论文被学位委员会选为澳大利亚Monash大学优秀博士论文校长奖。师从中国科学院赵东元院士、CordeliaSelomulya教授、澳大利亚科学院与工程院两院院士Frank Caruso教授、斯坦福大学大学Yi Cui教授。曾任墨尔本大学化学与生物分子工程系任专项研究员，任职期间荣获澳大利亚“维多利亚学术之星”荣誉称号。曾任澳大利亚Monash大学研究生会学术副主席，澳中科学家创业协会主要发起人并任常务委员。

荣获上海市自然科学一等奖（2018）、孔子教育基金会优秀科学家奖（2018）、中国新加坡前沿科技创新大会优秀报告奖（2017）、澳大利亚 Monash 大学优秀博士论文校长奖（2016）、上海市青少年发展创新市长奖（2015）、国际IChemE全球奖提名奖IChemE Global Awards（2015）、澳大利亚工程师与高级工程师博士生群体成员（2014）、澳大利亚颗粒研究学会国际学术奖（2014）、宝钢教育基金特等奖获得者（全国排名一名，2014）、澳大利亚“维州学术之星”荣誉称号（2014）、“陶氏化学可持续发展创新奖”一等奖（2013）、中国教育部“博士研究生学术新人奖”（2012）、中国分析测试协会科学技术奖(CAIA 奖)一等奖（2012）等荣誉及奖励。

回国后组建软界面智能材料与器件课题组，主要开展软界面智能材料与器件组装及集成工作，特别是提出并命名了超组装框架材料（SAFs）新概念，面向软界面仿生材料设计及组装、软界面智能传感与探测芯片集成、新型微型化可植入新能源器件构建的研究和应用开发，致力于为医用临床传感、软界面电子光电子器件、仿生软界面储能器件等领域提供高效可持续的智能材料及器件。

近年来，孔彪研究员已在《自然·化学》Nature Chemistry、《科学·进展》Science Advances等期刊上发表高质量的学术论文近80篇，相关研究成果被 Nanowork、PHYS&ORG、Chem.Views 等多家新闻媒体和杂志报道，并被 Weily 杂志选为特别专题与研究热点，被英国皇家化学会（RSC）选为Chem. Soc. Rev.封面及热点文章，也被 Chemistry World 选为中国最具有应用前景的科研成果报道，以及被自然出版集团选为自然亚洲材料研究亮点总结。主持及参与国家重点研发计划、军委科技委基础加强计划重点项目、国家超级计算材料基因组重大创新工程等项目多项。