纖維超級(jí)電容器是適用于可穿戴電子設(shè)備的有前途的電源，但纖維電極內(nèi)部交聯(lián)不足和隨機(jī)結(jié)構(gòu)限制了它們的性能。本研究描述了界面交聯(lián)和定向結(jié)構(gòu)如何制造具有高柔韌性和電化學(xué)性能的 MXene 纖維。連續(xù)且高度定向的宏觀纖維由 2D MXene 片材通過液晶濕紡組件構(gòu)建。原位表面改性 MXene 的富含氧陰離子的末端可以通過靜電相互作用加強(qiáng)界面交聯(lián)，同時(shí)調(diào)節(jié)纖維內(nèi)的片對(duì)片層狀結(jié)構(gòu)。所得 MXene 纖維具有高導(dǎo)電性（3545 S cm
-1 ) 和機(jī)械強(qiáng)度 (205.5 MPa) 以及高達(dá) 1570.5 F cm
-3的高贗電容電荷存儲(chǔ)能力。值得注意的是，組裝后的纖維超級(jí)電容器在 401.9 mW cm
-3時(shí)提供 77.6 mWh cm
-3的能量密度，具有出色的靈活性和穩(wěn)定性，在機(jī)械變形下表現(xiàn)出約 99.5% 的電容保持率，并且可以集成到商用紡織品中為微電子設(shè)備供電。這項(xiàng)工作為先進(jìn) MXene 纖維的制造和高性能柔性纖維超級(jí)電容器的開發(fā)提供了見解。
Fig 1. MXene片、MXene 纖維和纖維超級(jí)電容器的制備示意圖。(a) 2D MXene LC 膠體的胺驅(qū)動(dòng)分層。(b) MXene 纖維及其組裝的纖維超級(jí)電容器的制造。
Fig 2. MXene 片的合成、鑒定和溶致液晶性。(a) 多層 MXene 的典型 SEM 形貌。(b) 單層 MXene 片的典型 TEM 圖像及其 SAED 圖案（插圖）。(c) 單層 MXene 片的 HR-TEM 圖像及其 FFT 衍射圖（插圖）。(d) 單層 MXene 片的典型 AFM 圖像和高度剖面。(e) 濃縮 MXene LC 膠體的光學(xué)圖像。(f) MXene LC 膠體在濃度為 5、16 和 25 mg·mL –1時(shí)的剪切流變特性。(g) 在 0°、45° 和 90° 的不同向錯(cuò)下，MXene LC 在單軸通道內(nèi)分散的 POM 圖像。P 和 A 分別代表偏振器和分析器方向。
Fig 3. MXene 纖維的形態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)表征。(a) Ac -MXene 纖維的典型 SEM 圖像。(b) Ac -MXene 纖維橫截面的典型 SEM 圖像。(c) 由剪切流引起的 MXene 片材自對(duì)準(zhǔn)的示意圖以及 MXene 纖維內(nèi)的靜電界面交聯(lián)機(jī)制。(d) MXene 和Ac -MXene 纖維的高分辨率 Ti 2p XPS 光譜。(e) MXene 和Ac-的高分辨率 O 1s XPS 光譜MXene 纖維。(f) 兩個(gè)相鄰 MXene 片之間水合質(zhì)子模型的電荷密度差異，其中黃色和青色分別代表電子積累和耗盡，以及通過 (110) 平面的相應(yīng)二維切片圖。(g) MXene 纖維與先前報(bào)道的基于 MXene 的纖維的拉伸強(qiáng)度和電導(dǎo)率比較。(h)嵌入商業(yè)紡織品的Ac -MXene 纖維的照片，以及纖維自行打結(jié)的照片。(i) Ac -MXene 纖維舉起 20 克重物，呈現(xiàn) ~50 Ω 的電阻，并用作導(dǎo)線構(gòu)建電路的照片。
Fig 4. 基于三電極系統(tǒng)的 MXene 纖維的電化學(xué)評(píng)估。(a) Ac -MXene 纖維在不同掃描速率下的 CV 曲線。(b) b值的確定，用于陽(yáng)極和陰極峰值電流的對(duì)數(shù)與掃描速率的對(duì)數(shù)。(c) Ac -MXene 纖維在 5 mV s
-1時(shí)對(duì)總電荷存儲(chǔ)的電容貢獻(xiàn)百分比（紅色） 。(d) Ac -MXene 纖維在不同掃描速率下的電容貢獻(xiàn)。(e) Ac -MXene 纖維和Cs -MXene 纖維在不同掃描速率下的比體積電容。(f) Ac-的循環(huán)穩(wěn)定性MXene 纖維超過 10,000 次循環(huán)，插圖顯示了第 1、2000、4000、6000、8000 和 10000 次循環(huán)的 GCD 曲線。(g) 通過 MXene 纖維的高度定向結(jié)構(gòu)的插層贗電容行為以及電子和離子傳輸路徑的示意圖。
Fig 5. 纖維超級(jí)電容器的電化學(xué)性能和實(shí)際電源應(yīng)用的原型。(a) 纖維超級(jí)電容器在不同掃描速率下的 CV 曲線。(b) 纖維超級(jí)電容器在不同電流密度下的 GCD 曲線。(c) 與之前報(bào)道的典型纖維超級(jí)電容器相比，纖維超級(jí)電容器的體積能量和功率密度。(d) 纖維超級(jí)電容器超過 10,000 次循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性。插圖顯示了第一個(gè)和最后一個(gè)循環(huán)的 GCD 曲線。(e) 兩個(gè)串聯(lián)的纖維超級(jí)電容器的 GCD 曲線。(f) 兩個(gè)并聯(lián)的纖維超級(jí)電容器的 GCD 曲線。(g) 纖維超級(jí)電容器在0°、45°、90°、135°和180°不同彎曲角度下的電容保持率（彎曲角度計(jì)算模型如圖S14所示）). (h) 具有不同機(jī)械變形的纖維超級(jí)電容器的照片，包括扁平、彎曲角度為 90°、135° 和 180° 以及打結(jié)狀態(tài)。(i) 纖維超級(jí)電容器嵌入手工編織腕帶為紅色 LED 供電，并集成到商用手套中為電子手表供電的照片，以及充滿電的纖維超級(jí)電容器集成到手套中以在機(jī)械條件下點(diǎn)亮綠色 LED 的照片形變。
相關(guān)研究工作由哈爾濱工業(yè)大學(xué)Yao Li課題組于2023年在線發(fā)表于《ACS Nano》期刊上，原文：Electrostatic Interfacial Cross-Linking and Structurally Oriented Fiber Constructed by Surface-Modified 2D MXene for HighPerformance Flexible Pseudocapacitive Storage。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
