供体-受体π堆叠相互作用提升了g-C3N4/PEI复合薄膜在高温下的电容储能性能

《Journal of Materials Chemistry C》：Donor–acceptor π-stacking interactions boosting capacitive energy storage of g-C3N4/PEI composite films at elevated temperatures

高温下石墨相氮化碳/聚醚酰亚胺复合薄膜通过π-π堆积优化介电性能，实现613.5 kV/mm击穿场强与5.10 J/cm3能量密度，并具备大尺寸制造和百万次循环稳定性。

　　

基于聚合物的介电电容器对现代电子设备和电力系统至关重要，但在高温环境下进行电容储能时需要优化其性能。本文报道了一种复合薄膜的制备方法，该方法通过将超声剥离的石墨氮化碳纳米片（g-C?N? NPLs）掺杂到聚醚酰亚胺（PEI）中来实现。PEI中的苯环作为π电子供体，而g-C?N?中的三嗪单元则作为π电子受体，两者之间形成强力的供体-受体（D-A）π堆叠相互作用，从而优化了PEI链的构象。由于d间距的减小，偶极密度增加，极化强度得到提升；同时载流子的平均自由路径缩短，导致其迁移率降低。PEI/g-C?N?界面处的II型能带对齐产生了界面陷阱，进一步降低了自由载流子的浓度。这种优化后的薄膜（掺杂量为0.5 wt%）在150°C时的击穿强度达到613.5 kV/mm，在200°C时达到517.6 kV/mm，介电常数分别为3.46和3.47。这使得该薄膜在150°C时的放电能量密度达到5.10 J/cm3，在200°C时达到3.42 J/cm3，效率超过90%，性能优于纯PEI薄膜。此外，这种0.5 wt%的薄膜在大规模生产（尺寸为27 cm × 10 cm）中表现出良好的均匀性，并且在150°C、400 kV/mm的电压下可稳定运行超过10?次循环，凸显了其工业应用潜力和可靠性。