MoO3基全生物可降解超级电容器的构筑与性能研究

Fully biodegradable supercapacitor (FBSC) belongs to the research field of transient electronics. Due to its excellent response in terms of physical form and function upon triggering, FBSC has bright future in many applications such as implantable medical electronics. At present, the energy density of FBSC is two orders of magnitude lower than that of conventional supercapacitor (SC). Therefore, developing strategy to enhance the energy density of FBSC is the key to their future applications. Based on this, we propose the following research routes to approach this goal. First, we propose to utilize the advantages of oxygen vacancy defects in improving the electrical conductivity and electrochemical reaction kinetics of MoO3 films, and boost the energy density in FBSC devices as a result. Second, we propose to choose fully biodegradable materials during device fabrication. Specifically, the pseudocapacitive MoO3 semiconductor films are prepared on the silk protein fiber cloth through physical vapor deposition. Third, the biodegradation behavior of the pseudocapacitive MoO3 films with rich oxygen vacancy defects is investigated in detail to realize the controllable degradation of FBSC devices. Through the systematic investigation on the film fabrication process, we hopefully address two fundamental issues related to oxygen vacancy defects. One is the modulation mechanism of electrical conductivity for MoO3 films, the other is the enhancement mechanism regarding on the electrochemical reaction kinetics of MoO3 electrodes. As such, the proposed project can provide a guideline for the design of FBSC with high energy density, both scientifically and practically.

全生物可降解超级电容器(FBSC)属于瞬态电子学研究范畴，其物理形态和功能在外界触发下会发生完全降解消失，在植入式医疗电子设备等领域具有广阔应用前景。目前国际报道的FBSC电化学性能比常规SC低两个数量级，如何提升FBSC能量密度是当前主要研究热点之一。基于此，本项目拟提出以下研究思路：1）采用氧空位增强机制，改善MoO3薄膜电极导电性、增强电化学反应动力学行为，显著提高FBSC能量密度；2）全部选用生物可降解材料，以蚕丝蛋白纤维布为衬底、MoO3为赝电容物质，采用物理气相沉积工艺路线构筑MoO3薄膜基FBSC器件；3）详细研究富含氧空位MoO3薄膜的生物降解行为，实现FBSC器件可控降解。通过对MoO3薄膜沉积工艺系统研究，重点解决氧空位类型/浓度调制半导体薄膜导电性的规律与机制、增强电化学反应动力学行为机制两个科学问题。本项目的实施将为高能量密度FBSC的设计提供实验依据和理论基础。

全生物可降解超级电容器可作为瞬态电子器件的能源储存部件，属于瞬态电子学研究范畴。这类器件可以在外界刺激触发下发生部分消失或者完全消失且不产生有毒有害的物质，可广泛应用于植入式医疗电子设备、保密安全电子系统、可降解环境传感器和零废物电子器件中。MoO3是比较理想的生物可降解超级电容器电极材料，然而存在电导率较低电化学反应动力学行为较弱等不足。本项目从氧空位缺陷的角度入手，通过控制反应条件实现了MoO3纳米线氧空位浓度的调控，并探明了氧空位浓度对MoO3纳米线结晶度、导电性、透光度及电化学性能的影响规律，掌握了高电化学性能MoO3纳米线的制备参数。同时，创新性地采用电化学腐蚀法直接在金属钼箔表面原位生长了富含氧空位的MoO3微纳米结构，在此基础之上，通过器件结构与封装策略的全方位设计，研制出了一种轻薄、柔性、全生物可降解、高性能的超级电容器植入物。该超级电容器植入物采用三明治结构，包括全绿色可控原位电化学氧化制备的MoO3电极，以及生物可降解的海藻酸凝胶作为电解质，组装的对称超级电容器具备超高电容、输出电压和杰出的能量密度/功率密度，通过采取合理的双封装策略，实现了对超级电容器在液体环境中寿命的调控，并对器件在老鼠体内植入的生物可降解性以及涉及材料的细胞毒性进行了系统的研究。实验证明了通过一系列水解和新陈代谢反应在体内被吸收和自然排出，无需二次手术移除，且不产生任何长期的不良影响。另外，我们将材料体系拓展到MoO3-MoS2异质结材料，通过分析表征我们发现该电极兼具良好的生物相容性及优异的电化学性能，同时可适用于构建多种类型的电化学储能器件，例如对称超级电容器、锌离子混合电容器以及镁离子一次电池。通过合理的器件封装策略，可以实现器件工作寿命的调节，这进一步拓宽了基于MoO3-MoS2异质结电极的电化学储能器件的使用场景。