东南大学化学化工学院Huijuan Zhu等–氢键相互作用促进聚乳酸-石墨烯-微晶纤维素聚苯胺纳米纤维的超电容

静电纺丝聚乳酸-石墨烯-微晶纤维素/聚苯胺(PLA-GN-MCC/PANI)纳米纤维是一种优异的超级电容器电极材料，它由PLA的柔性衬底、GN的导电添加剂、MCC的GN分散添加剂和PANI的电活性物质组成。通过优化PLA-GN-MCC组分质量比为10:0.6:1，可获得优异的界面亲和性能。优化后的PLA-GN-MCC的极限抗拉强度和断裂伸长率分别为568 kPa和93%，优于PLA的496 kPa和87%，具有较好的强度和柔韧性。PLA、PLA-GN-MCC和PLA-GN-MCC/PANI的欧姆电阻从18.73降至9.58降至8.00Ω，电荷转移电阻从323.2减小到181.7减小到17.8 Ω，电子带隙从4.084减小到0.557减小到0.142 eV，前线分子轨道能隙从3.6505减小到0.7964减小到0.7694 eV，态密度从4.7983增大到5.7842增大到8.6671 eV^-1。这些结果表明了更可行的电子跃迁和更高的电子导电性。PLA-GN-MCC与PANI之间的氢键相互作用增加了界面亲和力，降低了总表面能，使电化学电容从2.72增加到3.72，达到221.64 mF/cm²。实验测量和仿真计算结果一致，证明了PLA-GN-MCC/PANI纳米纤维在电化学储能方面的应用前景。

图1. (a) PLA-GN-MCC/PANI电极的制备工艺。柔性(b) PLA衬底，(c) PLA-GN-MCC衬底和(d) PLA-GN-MCC/PANI电极的照片。

图2. (a) PLA₆、(b) PLA₈及(c) PLA₁₀照片。(d) PLA₁₀， (e) PLA₁₀-GN_0.15， (f) PLA₁₀-GN_0.3，(g) PLA₁₀-GN_0.6，(h) PLA₁₀-GN_0.3，(i)PLA₁₀-GN_0.3-MCC_0.5。(j) PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁的扫描电镜图。(k) PLA₁₀、PLA₁₀-GN_0.15-MCC₁、PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁和PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁基质的拉伸应变-应力曲线。

图3. (a, b) PLA₁₀-GN_0.15-MCC₁，(c, d) PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁，(e, f) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁表面活性剂处理前后的接触角。(g, h) PLA₁₀-GN_0.15-MCC₁，(i, j) PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁，(k, I) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁表面活性剂处理前后的显微形貌。

图4. (a) PLA-GN-MCC底物在苯胺聚合前后的FT-IR光谱。(b) PLA₁₀-GN_0.15-MCC₁/PANI、(c) PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁/PANI和(d) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI的微观形貌。(e) PLA₁₀-GN_0.15-MCC₁/PANI、PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁和PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI电极的耐药性。

图5. 在5-200mV /s扫描速率，0.5MH₂SO₄电解液中(a)纯PLA，(b) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁和(c) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI的CV曲线;在5mV /s扫描速率，0.5MH₂SO₄电解液中(d)纯PLA、PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁和PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI的CV曲线比较。在0.05 ~ 0.5 Ag^-1电流密度，1 MH₂SO₄电解液中(e) PLA， (f) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁和(g) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI的GCD曲线;在电流密度为0.05Ag^-1，1MH₂SO₄电解液中(h) PLA与PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁的GCD曲线比较;(i) 0.05-0.5 Ag^-1不同电流密度下的比电容。(j)纯PLA在1MH₂SO₄电解液中的Nyquist图;(k) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁在1MH₂SO₄电解液中的Nyquist图;(1) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI在1MH₂SO₄电解液中的Nyquist图;(m)纯PLA与PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁底物在1MH₂SO₄电解液中的Nyquist图比较。(n)等效电路模型。

图6. (a)优化后的GN-MCC结构。(b) PLA-GN-MCC/PANI分子结构模型中的氢键示意图。

图7. (a, b) PLA (c, d) PLA-GN-MCC和(e, f) PLA-GN-MCC/PANI的HOMO和LUMO分布。

图8. (a) MCC、PLA和GN的前线分子轨道能隙;(b) PLA、PLA-GN-MCC和PLA-GN-MCC/PANL的HOMO能、LUMO能和前线分子轨道能隙。(c) PLA， (d) MCC， (e) GN， (f) PLA-GN-MCC和(g) PLA-GN-MCC/PANL的能带结构。PLA、PLA-GN-MCC和PLA-GN-MCC/PANI的(h)总体和(i)局部态密度图。

相关研究成果由东南大学化学化工学院Huijuan Zhu等人于2023年发表在Materials Today Chemistry (https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2023.101535)上。原文：Hydrogen-bonding interaction promoted supercapacitance of polylactic acid-graphene-microcrystalline cellulose/polyaniline nanofiber。