陳 彧

（華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，上海 200237）

眾所周知，有兩種不同類型的電壓或電流用于電能的傳導(dǎo)和傳輸，即直流電（DC）和交流電（AC）。DC 僅沿一個(gè)方向流動(dòng)，而AC 與其所在交流線路中的電壓一起周期性地改變方向。與DC 相比，AC 可以通過(guò)變壓器輕松地“升壓”或“降壓”。因此，發(fā)電廠發(fā)送的電能通常為高壓AC 形式。另一方面，大多數(shù)電器，例如電視、計(jì)算機(jī)和移動(dòng)電話，都需要由直流電以恒定電壓供電[1]。因此，在將其用作電氣設(shè)備的電源之前，需要將交流線路電壓轉(zhuǎn)換為恒定的直流電壓。

為了產(chǎn)生恒定的直流電壓，交流電壓改變方向（圖1）首先由整流器轉(zhuǎn)換成單向整流直流電壓[2]。由于輸入的交流線路電壓是正弦波，僅整流過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生直流脈動(dòng)電壓，盡管是單向的，但其大小會(huì)周期性地改變，頻率是輸入交流線路電壓的2 倍。因此，整流后的直流電壓紋波需要通過(guò)電子濾波器進(jìn)一步平滑，以產(chǎn)生穩(wěn)定不變的直流電壓[2]。濾波主要由電容器完成，電容器能對(duì)120 Hz 的直流整流電壓做出諧波響應(yīng)。濾波效率在很大程度上取決于頻率響應(yīng)性能和電容器的電容。目前，鋁電解電容器（AECs）因其頻率響應(yīng)快、比電容高而被廣泛應(yīng)用于此領(lǐng)域[3]。然而，AECs 通常體積龐大，與快速微型化的電子產(chǎn)品越來(lái)越不兼容[1]。因此，非常有必要開發(fā)微電容器，它可以集成在硅片上，但仍然具有足夠的電容來(lái)維持高性能的交流線路濾波。

圖 1 交流線路電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓Fig. 1 Conversion of an AC line voltage into a DC voltage

上海交通大學(xué)介熵物質(zhì)研究室莊小東教授和馮新亮教授等報(bào)道了一種簡(jiǎn)便的基于薁基橋聯(lián)的配位聚合物框架（PiCBA）層層制備具有平面幾何形狀的硅基微型超級(jí)電容器（MSCs）的方法[4,5]。圖2（a）為PiCBA 的具體制備流程，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中報(bào)道的方法稍加修改。TEM 圖像（圖2（b））顯示銅網(wǎng)柵上PiCBA 膜具有較大的面積。他們利用端基為異氰基（即2,2′二異氰基-1,1′，3,3′四乙氧羰基-6,6′雙偶氮烯，簡(jiǎn)稱iCBA）的薁基單體，配位接枝到SiO2襯底的金叉指電極上。然后通過(guò)iCBA 與Co 離子的配位反應(yīng)在Au 電極上形成PiCBA 單層膜；在Au 電極上重復(fù)此過(guò)程形成10 層PiCBA 單層膜。最后，將H2SO4-聚乙烯醇（H2SO4-PVA）凝膠電解質(zhì)澆鑄到PiCBA-Au:SiO2基板上，得到MSCs（圖3（a））。這種方法簡(jiǎn)單，符合硅基電子工業(yè)的要求。

圖 2 （a） 異氰化物與鈷離子配位反應(yīng)合成PiCBA （R = -COOC2H5）的路線圖；（b） 在銅柵上PiCBA 薄膜的TEM 圖[5]Fig. 2 （a） Synthesis of PiCBA through the coordination reaction between isocyanide and cobalt ions （R = -COOC2H5）；（b） TEM image of a PiCBA film on a copper grid[5]

據(jù)文獻(xiàn)[5]報(bào)道，厚度為2 nm 的雙層PiCBA 膜的載流子遷移率為5×10-3cm2/（V·s），電導(dǎo)率為2.4×10-4S/cm。由于PiCBA 具有良好的載流子遷移率、薁基骨架的永久偶極矩和PiCBA 的低帶隙，所制備的MSCs 可在50 mV/s 下實(shí)現(xiàn)34.1 F/cm3的高比電容和1 323 W/cm3的高體積功率密度（圖3（b））。此外，基于PiCBA 的MSCs 在120 Hz 下的阻抗相位角高達(dá)-73°（圖3（c）），與石墨烯/碳納米管基（-81.5°）和鋁電解電容器（–83.9°）的阻抗相位角相接近[6]。這一類材料的設(shè)計(jì)，得益于“介熵”概念的理解，以及利用“介熵”概念進(jìn)行新型碳基材料的再開發(fā)[7]。

圖 3 （a） 在金叉指電極上層層制備PiCBA 膜的示意圖；（b） 基于聚合物微型超級(jí)電容器Ragone 圖；（c） 基于PiCBA 的微型超級(jí)電容器相位角隨頻率變化關(guān)系圖[5]Fig. 3 （a） Illustration of the LBL fabrication of a PiCBA film on Au interdigital electrodes；（b） Ragone plots of PiCBA-based MSCs；（c） Dependence of impedance phase angle on the frequency for the PiCBA-based MSCs[5]