В условиях неуклонного роста глобального спроса на энергию, а также проблем истощения ископаемого топлива и загрязнения окружающей среды научное сообщество активно работает над разработкой высокоэффективных технологий хранения энергии. На фоне стремительного развития искусственного интеллекта и электронных технологий суперконденсаторы с многофункциональными свойствами превратились в одну из ключевых тем исследований. Благодаря интеграции с электрохромными технологиями такие электрохромные суперконденсаторы способны осуществлять в реальном времени оптический мониторинг состояния накопления энергии посредством изменения цвета, демонстрируя огромный потенциал применения в умных окнах, стеклянных фасадах зданий и носимых электронных устройствах. Такая интегрированная система не только способствует энергосбережению, но и эффективно предотвращает перезарядку или перегрузку устройств, являясь одним из ключевых направлений обеспечения устойчивости энергоснабжения.

В практическом применении разработка материалов, одновременно обладающих высокими электрохромными свойствами и высокой энергетической ёмкостью, по‑прежнему сталкивается с серьёзными трудностями. Существующие окислительно‑восстановительные материалы — такие как оксиды переходных металлов и некоторые сопряжённые полимеры — хотя и широко используются, вряд ли способны совмещать превосходную контрастность, быстрый переключательный режим, высокую электрическую ёмкость и хорошую механическую гибкость. Кроме того, в настоящее время исследования полимеров на основе дифенилбензотетрациклических структур сосредоточены главным образом на производных карбазола и флуорена, тогда как дифенилбензотиофен, обладающий жёсткой плоской структурой и отличными свойствами транспорта дырок, в области электрохромизма изучается относительно слабо; при этом существующие стратегии функционализации зачастую приводят к нарушению конъюгированной целостности молекул вследствие структурного искажения, что ведёт к недостаточной циклической стабильности.

В ответ на указанные выше проблемы совместная исследовательская группа, в состав которой входят Тайчжоуский университет, Чжэцзянский политехнический университет и другие организации, провела систематическое исследование с использованием ступенчатых профилометров серии JS компании ZEPTOOLS. Команда впервые внедрила фрагмент дифенилбензотиофена в область электрохромных суперконденсаторов и, осуществив симметричное функционализирующее модифицирование в позициях 3 и 7 сопряжённого скелета, успешно разработала новый тип плёночного материала на основе сопряжённых полимеров, обладающий одновременно выраженным изменением цвета, высокой оптической контрастностью и выдающейся циклической стабильностью.

Заголовок: Конъюгированный полимер на основе дибензотиофена для высокоэффективных электрохромных суперконденсаторов с визуальным отображением состояния заряда
Журнал: Журнал по хранению энергии
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1016/j.est.2025.120025

Исследовательская группа, симметрично вводя тиофеновые производные в положения 3 и 7 звена дифенилбензотиофена (DBT), разработала и синтезировала два новых органических мономера — DBT‑E и DBT‑P. Экспериментальные исследования и расчёты на основе теории функционала плотности совместно подтвердили, что по сравнению с традиционным замещением в положениях 2 и 8 функционализация в позициях 3 и 7 существенно снижает энергетическую запрещённую зону мономера и уменьшает угол торжения между молекулами, тем самым эффективно усиливая степень сопряжённости полимерного каркаса. Данная стратегия молекулярного дизайна закладывает ключевую структурную основу для последующего получения сопряжённых полимерных плёнок с низким окислительно‑восстановительным потенциалом и высокой электрохимической стабильностью.

Рис. (a) Схема синтеза мономера и полимера; (b) Схематическое изображение процесса электрополимеризации полимеров pDBT‑E и pDBT‑P.

Рис. pDBT‑E (а–в, г) и pDBT‑P (д–ж, з) — электрохимические кривые полимеризации, изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии, и изображения, полученные с помощью атомно‑силовой микроскопии, соответствующие указанным пленкам.

С помощью циклической вольтамперометрии исследователи успешно осуществили электрохимическую полимеризацию мономеров на стеклянной подложке из оксида индия‑олова, получив пленки сопряжённых полимеров pDBT‑E и pDBT‑P толщиной около 240 нм и 154 нм соответственно. Для точного определения физических свойств пленок команда с помощью сканирующей электронной микроскопии выявила на их поверхности рыхлую зернистую структуру; такая микроструктура существенно способствует быстрому переносу ионов электролита. В ходе этого процесса ступенчатый профилометр серии JS компании ZEPTOOLS сыграл незаменимую роль: благодаря высокой точности измерений он позволил точно определить толщину полимерной плёнки, обеспечив надёжную физическую базу для оценки объёмной удельной ёмкости материала.

Спектроэлектрохимические кривые для пленок pDBT‑E и pDBT‑P в растворе 0,1 М TBAPF6/ACN при различных рабочих потенциалах (а) и (б)

Рис. (a) Циклические вольтамперограммы (CV) пленок pDBT‑E и (d) pDBT‑P при различных скоростях сканирования от 20 до 200 мВ/с.

Результаты экспериментов показали, что пленки pDBT‑E и pDBT‑P обладают исключительно высокими многофункциональными свойствами: они способны осуществлять обратимое переключение цвета между оранжево‑жёлтым и тёмно‑синим, при этом значения цветового различия достигают 52,4 и 47,4 соответственно. В отношении электрохимических характеристик pDBT‑P демонстрирует объёмную удельную ёмкость до 64,6 фарад на кубический сантиметр; после 8000 циклов испытаний он сохраняет 72% оптической контрастности — показатель, соответствующий современному высочайшему уровню среди электрохромных материалов на основе дифенилбензотиофена. Кроме того, благодаря нераспространённому ограничению механизму ёмкостного хранения заряда материал характеризуется чрезвычайно быстрой реакцией и выдающимися скоростными характеристиками.

Рис. (a) Кривые постоянного тока заряда‑разряда (GCD) для пленок pDBT‑E и (b) pDBT‑P при различных плотностях тока от 2 до 50 А/см³. (c) Объёмная удельная ёмкость и кулоновская эффективность пленок pDBT‑E и (d) pDBT‑P при различных плотностях тока от 2 до 50 А/см³. (e) GCD‑циклостабильность пленок pDBT‑E и (f) pDBT‑P при плотности тока 10 А/см³.

Для проверки практического потенциала материала исследовательская группа, используя новый полимер в качестве активного слоя, успешно создала асимметричный электрохромный суперконденсатор со слоистой структурой. В процессе зарядки и разрядки устройство демонстрирует выраженные и обратимые изменения цвета, что позволяет точно преобразовывать состояние накопления энергии в наглядный визуальный сигнал, обеспечивая эффективный мониторинг уровня запасённой энергии в режиме реального времени. Данная работа не только ознаменовала первое успешное применение дифенилбензотиофена в электрохромных суперконденсаторах, но и открывает новые технологические пути для будущей разработки высокопроизводительных многофункциональных интеллектуальных дисплеев и носимых электронных устройств.

Рис. (a) Схематическое изображение структуры электрохромного суперконденсатора (ESC) в рамках настоящего исследования. (b) Спектроэлектрохимические кривые устройства на основе pDBT‑E (размер: 2,5 × 2,5 см²) при различных рабочих потенциалах; вставка демонстрирует изменения цвета, обусловленные электрохромным эффектом (EC). (c) Переключательная реакция и оптическая контрастность устройства на основе pDBT‑E при длине волны 635 нм. (d) Циклические вольтамперограммы (CV) устройства на основе pDBT‑E при различных скоростях сканирования — от 20 до 200 мВ/с. (e) Кривые постояннотокового заряда‑разряда (GCD) устройства на основе pDBT‑E при различных плотностях тока — от 2 до 50 А/см³, а также (f) объёмная удельная ёмкость и кулоновская эффективность. (g) Циклическая стабильность GCD устройства на основе pDBT‑E при плотности тока 10 А/см³. (h) Зависимость пропускания света при длине волны 635 нм от числа циклов GCD для устройства на основе pDBT‑E при плотности тока 10 А/см³, а также соответствующие изменения цвета.

Ступенчатый измеритель серии JS компании «ZEPTOOLS», являясь образцом отечественного высокоточного оборудования для измерения поверхностей, благодаря своей инновационной технологической архитектуре, гибким сценариям применения и надёжным метрологическим характеристикам позволяет проводить измерения толщины покрытий и высоты ступеней, а также исследовать морфологию поверхности, её рельеф и шероховатость. Он широко применяется в университетах, научно‑исследовательских лабораториях и институтах, а также в таких отраслях, как полупроводниковая и композитная полупроводниковая промышленность, производство светодиодов высокой яркости, солнечной энергетики, микроэлектромеханических систем (MEMS), сенсорных экранов, автомобильной промышленности и медицинского оборудования. Являясь прорывным достижением отечественной научной приборостроительной отрасли, ступенчатые измерители серии JS разрушили многолетнюю монополию зарубежных брендов на рынке высококлассного оборудования для измерения поверхностей; благодаря высокой экономичности и преимуществам локализованного сервиса они стали предпочтительным выбором для отечественных университетов, научно‑исследовательских учреждений и производственных предприятий.