摘要：2025年1月17日，清华大学南策文院士和沈洋教授联合华南理工大学黄明俊教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Metal-organic cage crosslinked nanocomposites with enhanced
聚合物介电材料广泛应用于电气和电子领域，对其在高温下的介电性能要求越来越高。
将无机纳米颗粒掺入聚合物中是改善聚合物介电性能的有效途径。
然而，无机纳米颗粒的团聚和有机-无机界面在高温下的不稳定限制了纳米复合材料在大规模工业生产中的发展。
2025年1月17日，清华大学南策文院士和沈洋教授联合华南理工大学黄明俊教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Metal-organic cage crosslinked nanocomposites with enhanced high-temperature capacitive energy storage performance》的研究论文，Shuo Zhao和Weifeng Peng为论文共同第一作者，南策文院士、沈洋教授和黄明俊教授为论文共同通讯作者。
南策文，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，国家杰青，清华大学教授，现任清华大学材料科学与工程研究院院长。1982年在华东理工大学获学士学位，1985年在华东理工大学获硕士学位，1992年在武汉工业大学获博士学位。
南策文院士的研究方向主要围绕多铁性材料与器件，有机-无机复合功能材料，锂电池用锂离子固态电解质及正极材料，过渡金属氧化物，以及材料显微结构-性能关联计算及预测。
沈洋，清华大学教授，博士生导师，国家杰青，教育部青年长江学者。2002年在清华大学获学士学位，2007年在清华大学获博士学位，2007-2009年在美国加州大学圣巴巴拉分校从事博士后研究，2009-2010年在哈佛大学继续从事博士后研究。
沈洋教授主要研究方向是聚合物基复合电介质（用于超高功率脉冲功率电源、新能源逆变器等），锂离子固体电解质及全固态锂离子电池的设计与制备，柔性电介质材料中的极性拓扑新物态与新物性，以及柔性可拉伸的传感/驱动一体化智能材料。
黄明俊，华南理工大学教授，特聘研究员，博士生导师。2010年在北京大学获学士学位，2015年在阿克伦大学获博士学位，2016-2019年在麻省理工学院从事博士后研究。
黄明俊教授的研究方向围绕杂化大分子自组装，锂离子电池中的新型高分子电解质，新型高分子液晶材料设计及其光学、介电性能研究。
在这里，作者通过将具有氨基反应位点的自组装金属有机笼结合到聚醚酰亚胺基体中，合成了金属有机笼交联纳米复合材料。
自组装金属-有机笼原位交联不仅实现了无机组分的均匀分布，而且构建了坚固的有机-无机界面，避免了传统纳米复合材料的界面损失，提高了高温击穿强度。
最终，所开发的纳米复合材料表现出极高的能量密度，分别为7.53 J cm-3（150 ℃）和4.55 J cm-3(200 ℃)，充/放电效率为90%。
图1：金属-有机笼交联纳米复合材料的结构
图2：形态和结构表征
图3：电能存储特性
图4：可靠性和稳定性评估
综上，作者将自组装金属-有机笼引入到介电聚合物纳米复合材料中，并成功地在复合材料中构建了有机组分和无机组分之间的坚固界面。
与传统聚合物纳米复合材料相比，金属-有机笼交联纳米复合材料在提高εr的同时避免了高温下严重的界面损失。
得益于PEI-g-TOC中的超分子配位，该交联纳米复合材料不仅实现了小尺寸（约3 nm）无机团簇的均匀分布，而且构建了更坚固的有机-无机界面。
同时，该有机无机界面具有优异的电荷捕获能力，有效地提高了Eb。
最终，在PEl-g-TOC中实现了εr和Eb的协同增强，表现出异常的Ud为7.53 J cm-3（150 ℃）和4.55 J cm-3(200 ℃)，η为90%。
此外，PEl-g-TOC复合材料在200℃和300 MV m-1下具有优异的长期稳定性，能实现高达105次循环。
这种创新的方法扩大了目前高温聚合物基介电材料的研究范围，为新型介电材料的开发提供了有价值的见解。
Zhao, S., Peng, W., Zhou, L. et al. Metal-organic cage crosslinked nanocomposites with enhanced high-temperature capacitive energy storage performance. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56069-5.
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