东华朱美芳/清华张跃钢/苏科大李宛飞：三维多孔石墨烯纤维的可伸缩微凝胶纺丝，用于高性能柔性超级电容器

【科研摘要】

基于石墨烯纤维的超级电容器正在成为可穿戴电子设备中最有前途的储能设备之一。但是，由液晶纺丝制成的最纯的石墨烯纤维是制备石墨烯纤维的最常用方法，由于π-π聚集，通常具有类似石墨的结构，这极大地阻碍了它们在能量存储中的实际应用。先前，东华大学朱美芳院士/清华大学张跃钢教授/苏州科技大学李宛飞副教授团队合作开发了一种通过使用自组装3D GO微凝胶作为纺丝原液并进行热还原的微凝胶纺丝来制造N和S共掺杂的多孔石墨烯纤维的简便方法。

具有大的比容（312 m² g^-1），适当的分层孔结构以及N和S共掺杂的协同效应的人造纤维可以用作纤维状超级电容器的优质柔性电极（在电流密度为0.1 A cm^-3时为59.9 F cm^-3），出色的能量和功率密度（在50.3 mW cm^-3时为8.3 mW h cm^-3），出色的速率能力（在大电流下为44.1 F cm^-3）密度为1 A cm^-3）和长周期稳定性（在10 000个周期内，初始比电容保持率的96.2％）。相关论文以题为Scalable microgel spinning of a three-dimensional porous graphene fiber for high-performance flexible supercapacitors发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。

【主图导读】

图1为NS-G光纤的制造路线示意图。

图2（a–c）多孔NS-GF横截面的SEM图像。（d–f）相应的C，N和S元素映射图像。（g–i）多孔NS-GF的表面SEM图像。

图3（a–d）NS-GF的XPS光谱。（a）测量，（b）C 1s，（c）N 1s和（d）S 2p光谱。（e）NS-G的示意图。（f）NS-GF的拉曼光谱。

图4（a）GF和NS-GF的CV曲线，扫描速率为10 mV s^-1。（b）NS-GF的GCD曲线。（c）GF和NS-GF在不同电流密度下的比电容。（d）GF和NS-GF的奈奎斯特图。（d）中的插图：NS-GF在高频区域的阻抗数据。

图5（a）不同扫描速率下NS-GF的CV曲线。（b）不同电流密度下NS-GF的GCD曲线。（c）在各种电流密度下的比电容。（d）在10 A 000次循环中，在1 A cm^-3下的循环稳定性。（e）各种弯曲角度的CV曲线。（f）Ragone Plots。

图6（a）并联连接的三个SC的示意图。（b）串联连接的四个SC的示意图和照片。（c）并联连接的三个SC的GCD曲线。（d）串联连接的四个设备的GCD曲线。（e）由串联连接的带电设备供电的电子表的光学图像。

【总结】

研究团队已经开发了一种通过使用自组装3D GO微凝胶作为纺丝原液并进行热还原的微凝胶纺丝来制造N和S共掺杂的多孔石墨烯纤维的简便方法。凭借较大的SSA，适当的分层孔结构以及N和S共掺杂的协同效应，制成的NS-GF可以在出色的能量和功率密度，出色的倍率能力和长周期稳定性方面，成为FSSC的优异柔性电极。这种经济高效且简单的制备方法为大规模制造杂原子掺杂的多孔石墨烯纤维铺平了道路，并促进了石墨烯纤维在可穿戴设备领域的实际应用。

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参考文献：doi.org/10.1039/D0TA08937K