成果简介
纤维基超级电容器（FSCs）因其柔韧性和可穿戴性，在可穿戴储能设备中展现出理想的应用潜力和发展前景。然而，单位体积内的容量低和纤维强度不足阻碍了其在实际应用中的进一步发展。本文，江南大学吕鹏飞 研究员、魏取福教授团队等在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“High Electrochemical Capacity MnO2/Graphene Hybrid Fibers Based on Crystalline Regulatable MnO2 for Wearable Supercapacitors”的论文，研究采用一步水热法合成了具有可调节结晶结构的二氧化锰纳米材料。MnO2 晶体结构的形成涉及 “卷曲-相变 “过程。其中，2×2隧道型α-MnO2纳米线表现出优异的电化学电容（43.8 F g-1）、较高的速率性能（61%，0.25 至 6 A g-1）和显著的循环稳定性（99%），这归功于其良好的空间对称性和较高的共享顶点比例。
在此基础上，通过可扩展的连续湿法纺丝和原位酸还原，α-MnO2 纳米线与GO共同构建了 MnO2/rGO 混合纤维。值得注意的是，在MnO2/rGO杂化纤维中，MnO2纳米线的掺杂量可高达50 wt %，而强度则达到了11.73 MPa，这归功于MnO2纳米线优越的表面形貌和杂化纤维独特的胶合壁结构。最后，将得到的混合纤维电极组装成对称的 FSC。值得注意的是，这种 FSC 在 1.75 A cm-3 的条件下具有显著的体积比电容（129.5 F cm-3）和惊人的能量密度（18 mWh cm-3）。此外，组装后的全固态 FSC 具有出色的可变形性和应用潜力。这项工作为促进纤维电极的连续制备、FSCs 的开发以及在可穿戴能源纺织品中的实际应用提供了一些启示。
图文导读
方案1. 制备 MnO2 纳米线、MnO2/rGO 混合纤维电极和对称FSC的示意图
图1. (a) MnO2 晶体和形态转变示意图和扫描电镜。(b) 制备的 MnO2 样品的 XRD 图像。(c) S6 的 XRD、(d) 扫描电镜、(e, f) TEM 图像和 (g, h) XPS 图像。
图2. 制备的二氧化锰样品的电化学性能
图3。（a） 湿法纺丝设备的示意图以及凝固前后MnO2和GO在纤维中的分布。（b） 制备的纺丝溶液（左）和静置7天的溶液（右）（MnO2/GO:1v1）。（c） MnO2/GO分散体的偏振光学显微镜图像（1v1）。（d） MnO2/GO分散体的表观粘度作为剪切速率的函数。（e） 挤出过程中的各种组件和纤维的水泥墙结构示意图。（f–h）MnO2/rGO（1v1）纤维的SEM图像。（i） 单个MnO2/rGO（1v1）纤维在不同机械变形下的光学图像。
图4. 制备的 FSCs 的电化学特性
图5. (a) 不同弯曲角度下的 GCD 曲线。(b) 单个 FSC 和三个串联 FSC 的 GCD 曲线。(c) 三个串联 FSC 的示意图。(d-g) 不同弯曲角度下 FSC 的光学图像。(h-k) 不同机械变形下 FSC 的光学图像。
小结
综上所述，(1) 通过一步水热法制备了形态均匀、长径比优异的 MnO2 纳米线。在水热法过程中，初始形态的δ-MnO2 纳米片在高温和阳离子不足的条件下，经过 “卷曲相变 “后塌缩成结构稳定的α-MnO2 纳米线。α-MnO2纳米线具有优异的电容和循环稳定性，为纺丝奠定了坚实的基础。(2) 将 MnO2 纳米线与 GO 混合，通过湿法纺丝构建 MnO2/rGO 混合纤维。由于 MnO2 纳米线具有优异的形貌和插层结构，因此在 MnO2/rGO 混合纤维中实现了高掺杂（50 wt %）。
因此，MnO2/rGO 杂化纤维形成了独特的墙砖水泥结构，表现出优异的力学性能（11.73 兆帕）和显著的电化学性能。(3) 由 MnO2/rGO (1v1) 混合纤维构建的 FSC 具有显著的体积比电容（129.5 F cm-3），在 1.75 A cm-3 时具有惊人的能量密度（18 mWh cm-3）和出色的电容保持率（3000 次循环后电容保持率为 96.5%）。此外，组装后的全固态 FSC 具有出色的可变形性和应用潜力。因此，FSC有望成为柔性电子设备的理想电源。所揭示的工程策略不仅为制备高性能混合纤维电极提供了一种简单、连续和可扩展的方法，还为开发先进的可穿戴能源纺织品提供了启示。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.3c10671
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