塑料塑造了現代世界，改變了我們的生活方式。幾十年來，塑料因其出色的絕緣性能而主要用于電子產品。但在 20 世紀 70 年代，科學家意外發現某些塑料也能導電。這一發現徹底改變了該領域，為電子和儲能應用打開了大門。

目前使用最廣泛的導電塑料之一是 PEDOT，即聚(3,4-乙烯二氧噻吩)的縮寫。PEDOT 是一種柔性透明薄膜，通常涂在攝影膠片和電子元件表面，以保護它們免受靜電影響。它也用于觸摸屏、有機太陽能電池和電致變色設備，例如只需按一下按鈕即可從亮變暗的智能窗。

然而，PEDOT 的儲能潛力受到限制，因為市售的 PEDOT 材料缺乏容納大量能量所需的電導率和表面積。

加州大學洛杉磯分校的化學家們正在采用一種創新方法來應對這些挑戰，即控制 PEDOT 的形態，從而精確地生長納米纖維。這些納米纖維表現出卓越的導電性和擴大的表面積，這兩者對于增強 PEDOT 的儲能能力至關重要。

《先進功能材料》雜志發表的一篇論文描述了這種方法，證明了 PEDOT 納米纖維在超級電容器應用方面的潛力。

與通過緩慢化學反應儲存能量的電池不同，超級電容器通過在其表面積累電荷來儲存和釋放能量。這使得它們能夠極快地充電和放電，使其成為需要快速爆發功率的應用的理想選擇，例如混合動力和電動汽車中的再生制動系統以及相機閃光燈。因此，更好的超級電容器是減少對化石燃料依賴的一種途徑。

加州大學洛杉磯分校的化學家們通過獨特的氣相生長工藝生產出這種新材料，制成了垂直的 PEDOT 納米纖維。這些納米纖維類似于向上生長的茂密草叢，大大增加了材料的表面積，使其能夠儲存更多的能量。通過在石墨片上添加一滴含有氧化石墨烯納米薄片和氯化鐵的液體，研究人員將該樣品暴露在前體分子的蒸汽中，最終形成了 PEDOT 聚合物。

這種聚合物并沒有發展成非常薄的平面薄膜，而是長成了厚厚的毛皮狀結構，與傳統的 PEDOT 材料相比，其表面積顯著增加。

“這種材料獨特的垂直生長使我們能夠制造出比傳統 PEDOT 儲存更多能量的 PEDOT 電極，”通訊作者、加州大學洛杉磯分校材料科學家 Maher El-Kady 說道。“電荷存儲在材料表面，而傳統 PEDOT 薄膜的表面積不足以容納大量電荷。我們增加了 PEDOT 的表面積，從而將其容量提高到足以制造超級電容器的程度。”

作者利用這些 PEDOT 結構制造出具有出色電荷存儲容量和非凡循環穩定性的超級電容器，循環次數達到近 100,000 次。這一進展可能為更高效的儲能系統鋪平道路，直接應對可再生能源和可持續性方面的全球挑戰。

“聚合物本質上是由稱為單體的較短塊組成的長分子鏈，”El-Kady 說道。“可以把它想象成由串在一起的單個珠子制成的項鏈。我們在室內加熱液態單體。隨著蒸汽上升，它們在接觸石墨烯納米薄片表面時發生化學反應。該反應導致單體結合并形成垂直納米纖維。這些納米纖維的表面積更大，這意味著它們可以儲存更多的能量。”

這種新型 PEDOT 材料表現出了令人印象深刻的效果，在幾個關鍵領域超出了預期。它的電導率比商用 PEDOT 產品高 100 倍，使其電荷存儲效率更高。更引人注目的是，這些 PEDOT 納米纖維的電化學活性表面積是傳統 PEDOT 的四倍。這種增加的表面積至關重要，因為它允許在相同體積的材料中存儲更多的能量，從而顯著提高超級電容器的性能。

得益于在石墨烯片上生長出一層厚厚的納米纖維的新工藝，這種材料現在具有迄今為止報道的 PEDOT 中最高的電荷存儲容量之一——超過每平方厘米 4,600 毫法拉，比傳統的 PEDOT 高出近一個數量級。

最重要的是，這種材料非常耐用，可以承受超過 70,000 次充電循環，遠遠超過傳統材料。這些進步為超級電容器打開了大門，超級電容器不僅速度更快、效率更高，而且使用壽命更長，這是可再生能源行業必不可少的品質。