南工大陳蘇教授：微流體紡絲導(dǎo)向的新型柔性可穿戴超級(jí)電容器
可穿戴電子器件由于其輕質(zhì)柔韌、可彎曲折疊、智能高效、多功能集成等優(yōu)點(diǎn)深受世界科研工作者們的喜愛。然而，構(gòu)筑具有高柔性、可編織、體積小、大能量儲(chǔ)存的能源材料為可穿戴器件供能，成為該領(lǐng)域關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)。
a) 氮摻雜石墨烯機(jī)理示意圖；b)微流體紡絲制備N-doped MGFs及微電容器構(gòu)筑示意圖；c) N-doped MGFs可實(shí)現(xiàn)連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)；d)將纖維集成在織物或編織成網(wǎng)格，表現(xiàn)出高的柔性和可織性；e)微電容器串并聯(lián)為電子供能示意圖。
在眾多儲(chǔ)能材料中，一維線性結(jié)構(gòu)的柔性纖維狀微型超級(jí)電容器（Micro-supercapacitor, micro-SCs）是最具潛力實(shí)現(xiàn)為柔性穿戴器件供能的選擇。然而，由于目前制備的導(dǎo)電纖維材料難以獲得成分均一、大比表面積、均勻有序多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，造成內(nèi)部離子傳輸速度慢和嵌入累積量少，使得宏觀器件電荷存儲(chǔ)少和能量密度低。因而，如何設(shè)計(jì)纖維電極材料和微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)離子快速輸運(yùn)和累積，從而實(shí)現(xiàn)器件高電荷存儲(chǔ)和大能量密度輸出等性能，成為國際上能源領(lǐng)域挑戰(zhàn)性的研究課題。
a) -e)N-doped MGFs斷面和表面的低倍和高倍SEM照片； f)-i) 純MGFs斷面和表面的低倍和高倍SEM照片；j)纖維電極材料孔結(jié)構(gòu)表征；N-dopedMGFs材料的XPS表征，k)氮特征峰，l）碳特征峰。
針對(duì)上述問題，南京工業(yè)大學(xué)陳蘇教授從設(shè)計(jì)材料微觀分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)入手，利用微流控均勻成絲、大面積制備纖維為導(dǎo)向，通過介質(zhì)在微反應(yīng)系統(tǒng)中液-液界面自組裝及分子功能化摻雜成孔為手段，構(gòu)筑具有大能量密度輸出、規(guī)模化編織和柔性穿戴應(yīng)用前景的氮摻雜多孔石墨烯纖維超級(jí)電容器。該研究成果于被國際材料領(lǐng)域的頂級(jí)刊物Advanced Functional Materials收錄。
a) 將N-doped MGFs電容器串并聯(lián)集成在柔性和織物基底上為視聽電子供能；b)不同視聽電子所需的電流值。
研究者們采用限域微通道內(nèi)，前驅(qū)體均勻組裝反應(yīng)和原位摻雜技術(shù)，制備具有高導(dǎo)電性、大比表面積和均勻孔結(jié)構(gòu)的纖維材料。基于該纖維構(gòu)筑的微型超級(jí)電容器所表現(xiàn)的比電容、能量密度和功率密度均創(chuàng)國際新高。成功實(shí)現(xiàn)為LEDs、音響、背光源、單色和彩色顯示器等視聽電子器件的供能應(yīng)用。該方法為不僅為新型電極材料的設(shè)計(jì)提供了新思路，還大大促進(jìn)纖維電容器在可穿戴電子領(lǐng)域的發(fā)展，有望取代微電池并廣泛應(yīng)用于能量存儲(chǔ)領(lǐng)域。
文章信息：High-Performance Wearable Micro-Supercapacitors Based on Microfluidic-Directed Nitrogen-Doped Graphene Fiber Electrodes,Guan Wu, Pengfeng Tan, Xingjiang Wu, Lu Peng, Hengyang Cheng, Cai-Feng Wang, Wei Chen, Ziyi Yu and Su Chen*,Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.201702493
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標(biāo)簽: 微流體紡絲