高功率和能量密度的儲能材料對于降低能耗和可持續發展至關重要。通過各種先進技術對儲能材料進行微觀結構調控能夠為開發高性能電池和超級電容器提供有效解決方案。但如何在微/納尺寸范圍內設計復雜微通道以精確控制二維材料的微觀形貌和結構取向，并且開發層間低范德華力、可調層間距和原位異質復合電極材料仍是一個難題。因此，探索低成本、高效便捷的方法和合適的先進材料來制造理想的高能量密度柔性電極是當前高度關注的問題。
針對上述科學問題，南京工業大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授與合肥工業大學沈益忠教授合作，創新性地探索出一種利用微流控紡絲化學法將高性能導電材料制備出新型纖維無紡布電極的方法，并以此纖維無紡布上負載導電聚合物，充分發揮雙電層電容性碳基材料與贗電容材料之間的協同效應，獲得高功率密度、高能量密度以及長循環穩定性的柔性超級電容器電極材料。首先，針對傳統制備柔性纖維無紡布電極材料存在力學性能差、透氣性差、比表面積小及難以規模化等問題。首次提出微流體螺旋濕法紡絲化學法（微流體螺旋濕法紡絲機由南京捷納思新材料有限公司與南京貝耳時代科技有限公司聯合研制提供）制備了MXene/石墨烯量子點三維致密多孔網狀結構纖維無紡布電極材料。通過微尺度下的結構調控，將石墨烯量子點與MXene交聯形成點/片結構，使復合纖維的拉伸強度和斷裂伸長率提高了2.5倍。PANI納米陣列包裹在電極表面增加更多的微孔和介孔，并提供了更大的表面積和更多的離子擴散通道，降低了離子傳輸所需的能壘。微流控紡絲化學下的過程強化，構筑了PANI@MXene/GQDs多尺度纖維電極，表現出良好的機械靈活性、出色的比電容（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）以及良好的長期循環穩定性。與傳統的濕紡和靜電紡絲策略相比，微流控紡絲化學策略可以對微通道中反應物的結構和形貌進行精確調控，無需聚合物粘合劑輔助，即可將MXene等導電材料通過微流控濕法組裝構筑無紡布電極。該研究成果于近日發表在國際重要刊物《Advanced Materials》上。(Robust PANI@MXene/GQDs based fibre fabric electrodes via microfluidic wet-fusing spinning chemistry, Advanced Materials. 2023)。南京工業大學博士研究生邱慧為第一作者。南京工業大學陳蘇教授與合肥工業大學沈益忠教授為共同通訊人。
該課題得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃、國家青年自然基金、江蘇省高校優勢學科建設工程、材料化學工程國家重點實驗室等基金的資助和支持。
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