南工大陈苏团队《Adv. Mater.》：微流控纺丝化学法大规模制备纤维无纺布电极新成果

2023-06-27 来源：高分子科技

高功率和能量密度的储能材料对于降低能耗和可持续发展至关重要。通过各种先进技术对储能材料进行微观结构调控能够为开发高性能电池和超级电容器提供有效解决方案。但如何在微/纳尺寸范围内设计复杂微通道以精确控制二维材料的微观形貌和结构取向，并且开发层间低范德华力、可调层间距和原位异质复合电极材料仍是一个难题。因此，探索低成本、高效便捷的方法和合适的先进材料来制造理想的高能量密度柔性电极是当前高度关注的问题。

针对上述科学问题，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授与合肥工业大学沈益忠教授合作，创新性地探索出一种利用微流控纺丝化学法将高性能导电材料制备出新型纤维无纺布电极的方法，并以此纤维无纺布上负载导电聚合物，充分发挥双电层电容性碳基材料与赝电容材料之间的协同效应，获得高功率密度、高能量密度以及长循环稳定性的柔性超级电容器电极材料。首先，针对传统制备柔性纤维无纺布电极材料存在力学性能差、透气性差、比表面积小及难以规模化等问题。首次提出微流体螺旋湿法纺丝化学法（微流体螺旋湿法纺丝机由南京捷纳思新材料有限公司与南京贝耳时代科技有限公司联合研制提供）制备了MXene/石墨烯量子点三维致密多孔网状结构纤维无纺布电极材料。通过微尺度下的结构调控，将石墨烯量子点与MXene交联形成点/片结构，使复合纤维的拉伸强度和断裂伸长率提高了2.5倍。PANI纳米阵列包裹在电极表面增加更多的微孔和介孔，并提供了更大的表面积和更多的离子扩散通道，降低了离子传输所需的能垒。微流控纺丝化学下的过程强化，构筑了PANI@MXene/GQDs多尺度纤维电极，表现出良好的机械灵活性、出色的比电容（547 F g^-1和1829 F cm^-3）、超高的能量密度（6.34 Wh kg^-1和21.19 mWh cm^-3）以及良好的长期循环稳定性。与传统的湿纺和静电纺丝策略相比，微流控纺丝化学策略可以对微通道中反应物的结构和形貌进行精确调控，无需聚合物粘合剂辅助，即可将MXene等导电材料通过微流控湿法组装构筑无纺布电极。

图1.微流控合成纤维无纺布电极示意图。(a)通过MILD方法剥离MXene纳米片。(b)MXene/石墨烯量子点无纺布电极的微流控湿熔组装和聚苯胺在无纺布上原位聚合生长示意图。

图2. MXene基无纺布的微观结构和化学成分表征。(a)PANI@Ti₃C₂T_x/GQDs无纺布电极的SEM图像。(b-d)放大的表面SEM图像。(e-g) 无纺布中对Ti，C和N元素的EDS表征。(h)显微红外图像对羰基分布密度表征。(i-l)无纺布中对Ti 2p、C 1s、N 1s和O 1s的XPS表征。(m) XRD表征。(n)拉曼光谱。(o)孔径分布表征和比表面积对比。

图3. 1 M H₂SO₄电解质中的复合电极的电化学性能和储能机理。(a)Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x /GQDs和PANI@ Ti₃C₂T_x /GQDs材料在10 mV s?1扫描速率下的CV曲线。(b)电流密度为 1 A g^-1 的GCD曲线。(c)三种结构材料的 EIS 测试，插图：奈奎斯特图和等效电路模型的凹陷半圆。(d)不同电流密度下的质量比电容。(e)b值确定归一化阴极峰值电流。(f)不同扫描速率下复合材料的电容贡献。(g)三种结构电极材料中离子分布的示意图。

图4. 聚苯胺含量对复合材料电化学和力学性能的影响分析以及固态电解质下无纺布电极的电化学性能。(a)Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x /GQDs和PANI@ Ti₃C₂T_x /GQDs材料的热重分析曲线。(b)扫描速率为10 mV s^-1时，不同 PANI 含量复合材料的CV曲线。(c)电流密度为1 A g^-1的复合材料的GCD曲线。(d) 不同 PANI 含量复合材料的质量比电容。(e)三种结构材料的拉伸测试。(f)无纺布电极的柔性示意图。(g) H₂SO₄/PVA 凝胶电解质下，固态超级电容器的的CV曲线。(h)GCD曲线。(i)质量比电容。

图5. 固态超级电容器的弯曲循环稳定性和实际应用图。(a)循环稳定性测试。(b)弯曲稳定性测试。(c)功率密度和能量密度对比图。(d)能源集成系统示意图。(e)固态超级电容器为LED灯和智能电子设备供电实物图。

图6. 微流体螺旋湿法纺丝机（南京捷纳思新材料有限公司与南京贝耳时代科技有限公司联合研制）

该研究成果于近日发表在国际重要刊物《Advanced Materials》上。(Robust PANI@MXene/GQDs based fibre fabric electrodes via microfluidic wet-fusing spinning chemistry, Advanced Materials. 2023)。南京工业大学博士研究生邱慧为第一作者。南京工业大学陈苏教授与合肥工业大学沈益忠教授为共同通讯人。

该课题得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、国家青年自然基金、江苏省高校优势学科建设工程、材料化学工程国家重点实验室等基金的资助和支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202302326

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（责任编辑：xu）

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