γ辐照制备聚偏氟乙烯/碳点复合膜用于超级电容器隔膜的性能提升研究

本研究针对超级电容器隔膜导电性差、稳定性不足等问题，通过γ辐照技术将葡萄糖/果糖/蔗糖衍生的碳点(CDs)与聚偏氟乙烯(PVDF)复合，开发出具有优异电化学性能的隔膜材料。实验表明，葡萄糖基复合膜(G-CD-20)经7500次循环后仍保持86%电容，显著优于传统纤维素隔膜，为新一代储能器件提供了可持续解决方案。

　　

随着全球能源结构转型加速，超级电容器作为高功率密度储能器件备受关注。然而传统隔膜材料如纤维素存在导电性差、循环寿命短等瓶颈，严重制约器件性能。特别是在极端工况下，隔膜的离子传输效率与界面稳定性直接决定储能系统的可靠性。这一领域亟需开发兼具高导电性和结构稳定性的新型隔膜材料。

研究人员创新性地将生物质衍生的碳点(CDs)与聚偏氟乙烯(PVDF)复合，通过γ辐照技术构建高性能隔膜。该研究采用25 kGy辐照合成葡萄糖(G-CD)、果糖(F-CD)和蔗糖(S-CD)三种碳点，随后以20 kGy后辐照处理PVDF复合膜。透射电镜显示CDs呈3-12 nm球形颗粒，具有0.21 nm石墨烯(100)晶面间距。电化学测试采用三电极Swagelok体系，以活性炭为电极对比传统纤维素隔膜。

关键方法

1. γ辐照合成：160 mM糖溶液在25 kGy剂量下制备CDs
2. 薄膜改性：PVDF/CDs复合膜经20 kGy后辐照诱导相变
3. 电化学表征：三电极体系测试循环伏安(CV)和恒电流充放电(GCD)
4. 物性分析：TEM观测形貌，XRD分析晶体结构，接触角测量亲水性

研究结果
相变与表面特性
后辐照促使PVDF从α相向β相转变，薄膜表面粗糙度增加且接触角降低至65°，显著提升亲水性和电解质浸润性。

电化学性能
G-CD-20复合膜展现最低电阻(1.25 Ω)，比电容达48.5 F/g。在7500次循环后容量保持率86%，远超纤维素隔膜的62%。

结构稳定性
辐照诱导的PVDF交联网络有效抑制CDs聚集，F-CD复合膜经500次弯曲测试后电阻仅增加8%。

结论与意义
该研究证实糖衍生CDs通过γ辐照可精准调控PVDF薄膜的结晶行为与界面特性。葡萄糖基复合膜展现最优异的综合性能，其机理在于：1) CDs的sp²碳域增强电子传导；2) 辐照诱导的β相提升介电常数；3) 表面粗糙化促进离子扩散。这项工作为《Surfaces and Interfaces》期刊提供了生物质碳材料在电化学器件中应用的新范式，所开发的绿色制备工艺对推动储能器件可持续发展具有重要价值。特别值得注意的是，20 kGy后辐照处理被证明是平衡材料交联度与导电性的关键参数，这一发现为后续研究提供了剂量优化基准。