3　電控離子交換材料及其制備過程

3.1　引言

電控離子交換材料泛指可以通過物理或者電化學反應產生或者獲取電子響應的功能材料。具體包括電化學材料、鐵電材料、壓電材料、光電材料、介電材料、超導體和其他功能材料［1］。

該系列材料可以被廣泛地應用于能源儲存、電子工業、環境和生物檢測以及航空等領域。

近年來，隨著能源危機和環境問題的日益突出，電活性材料的研發與應用受到越來越多的關注。在眾多電活性材料中，電活性離子交換材料（Electroactive Ion Exchange Materials）是一類具有獨特性能的功能材料，如圖3-1所示。這類復合材料可以通過化學或者電化學方法沉淀到導電基體上，并且通過調節電極電位可以實現電活性離子交換材料可逆的氧化還原［2］。同時，在其氧化還原過程中產生的多余電荷可以通過離子的置入與釋放進行補償。因此，通過控制電活性離子交換材料的氧化還原電位可以實現離子可逆的置入與釋放。

迄今為止，已經開發的電活性離子交換材料主要包括兩大類：無機的過渡金屬鐵氰化物及其類似物和有機的導電聚合物。

（1）過渡金屬鐵氰化物及其類似物（MHCFs）

MHCFs是一類極其穩定的金屬配位化合物［3］。基于其獨特的電化學、電致變色、磁學以及電催化性能，MHCFs被廣泛地應用于鈉離子和鉀離子電池［3］、超級電容器［4］、離子分離［5］、電致變色顯示器［6］、電化學傳感器［7］、生物傳感器［8］以及其他領域。在可逆的氧化還原過程中，MHCFs同時表現出電子導電性和離子導電性。其中，電子交換主要發生在MHCFs配位中心的變價過渡金屬與電極基體之間，而離子交換則主要發生在溶液與MHCFs的類沸石空腔之間。

（2）有機的導電聚合物

導電聚合物結合了傳統有機物和金屬兩者的共同特點而被稱為“合成金屬”。近年來，大量的研究關注于導電聚合物充放電過程中的離子交換行為［9］。當導電聚合物主鏈發生可逆的氧化或者還原反應時，其高分子主鏈會產生相應的正電荷或者負電荷。此時，溶液中的抗衡離子會在膜內電場變化的作用下被置入或置出膜外。而且，導電聚合物的導電性、溶脹性、電致變色、電催化以及機械性能會伴隨離子的置入與置出發生顯著的變化。基于這些獨特的性能，導電聚合物被廣泛應用于超級電容器、傳感器、制動器、電致變色儀器、晶體管以及其他領域［10］。

總而言之，無機的MCHFs以及有機的導電聚合物作為典型的電活性離子交換材料在各領域發揮著重要的作用。然而，在具體的應用過程中仍然存在諸多問題。通常情況下，電活性離子交換材料在氧化還原過程中實際的離子交換容量要小于其理論的最大值。其原因主要是由于電化學材料內層的活性物質無法被充分的利用。此外，就無機的MHCFs而言，該類化合物具有優良的熱穩定和機械穩定性，但其導電性能相對較低。相比而言，導電聚合物通過摻雜離子可以達到較高的電導率，但是在氧化還原過程中，導電聚合物的體積變化（溶脹、收縮、開裂或者折斷）、質量損失及其不可逆的過氧化反應，都會使其在反復充放電過程中穩定性顯著下降［11］。

針對以上問題，近年來科研人員提出一系列有效的措施。

1）隨著納米技術和納米科學取得的顯著成就，開發納米結構的電活性離子交換材料成為當前的一個重要研究領域。相比于其致密的塊狀結構，納米結構的電活性離子交換材料具有高的比表面積、相對較短的電荷和離子傳遞路徑以及低的界面阻抗。

2）通過開發電活性離子交換材料與新型碳材料的復合型材料以提高其導電性和機械性能。

3）合成有機和無機雜化的電活性離子交換材料，通過二者的協同效應實現復合材料性能的提升。