北化工《Appl. Phys. A》：化学改性碳纳米管/还原氧化石墨烯复合纤维的电化学性能

成果简介

为促进石墨烯纤维作为超级电容器电极的应用，本文，北京化工大学童元建副研究员团队在《Applied Physics A 》期刊发表名为“Improving electrochemical properties of carbon nanotubes/reduced graphene oxide composite fibers by chemical modification”的论文，研究采用化学气相沉积法制备碳纳米管（CNTs）/还原氧化石墨烯（RGO）复合纤维与GO/聚丙烯腈（PAN）纤维，然后用混合酸处理以改变纤维的亲水性。实现了将石墨烯和CNT的优良纳米级性能转化为宏观材料性能。

通过湿法纺丝制备GO/PAN纤维，并在CNTs原位生长到纤维上之前提前进行了热稳定。研究了CNTs/RGO复合纤维的结构和电化学性能。GO和PAN在稳定过程中的相互作用导致纤维的质量损失较小。CNTs/RGO复合纤维的比表面积为87.873 m2 g−1，大量缠绕的CNT直径约为39–130 nm，长度约为厘米。增加37.43%的含氧官能团大大提高了化学改性后纤维的亲水性。CNTs/RGO复合纤维的比电容在0.1 A g−1时从34增加到141Fg−1，这是由于含氧官能团提高了离子可及性和赝电容。化学改性的CNTs/RGO纤维适合于超级电容器的电极材料，因为它具有优异的循环稳定性，在2500次充放电循环后，比电容保持率为96%，ESR和Rct低。提出了一种合成具有良好三维结构的CNTs/RGO复合纤维的方法，并提出了修改离子可及性以提高纤维电化学性能的想法。

图文导读

图1、a a-CNTs/RGO复合纤维的制备；b湿纺装置示意图

图2、a湿法纺丝的GO/PAN连续纤维图像；b GO/PAN纤维表面的SEM图像；c GO/PAN纤维的SEM和EDS照片，绿色亮点为Ni离子；d GO/PAN纤维横截面的SEM图像

图3、GO、PAN和GO/PAN纤维的DSC曲线（a），GO（b）、PAN（c）、GO/PAN光纤的TG和DTG曲线（d）

图4、a 10 mV/s时的CV曲线；b不同扫描速率下的CV曲线；c 0.1 A/g时的GCD曲线；d不同电流密度下的GCD曲线；e a-CNTs/RGO复合纤维的比电容与相应电流密度之间的关系；f电化学阻抗图（EIS）和a-CNTs/RGO复合纤维EIS图的等效电路

图5、a在2500次充放电循环期间CNTs/RGO复合纤维的循环稳定性；b a-CNTs/RGO复合纤维的Ragone图

小结

通过湿法纺丝制备了直径为44微米的连续GO/PAN纤维，并在通过CVD原位生长CNT之前进行了热稳定。经化学改性的CNTs/RGO纤维表现出优异的循环稳定性，在2500次充放电过程中，比电容保持率为96%，ESR和Rct分别为5.97和12.88Ω，都很低。

文献：https://doi.org/10.1007/s00339-022-06340-z