成果简介
要探索下一代柔性超级电容器，轻质、高导电性、低成本和出色的电容是实际应用的先决条件。然而，由于碳纤维（CF）基柔性超级电容器的导电性不尽人意、表面积有限以及孔隙率低导致离子传输通道过长，因此需要进一步提高其电化学性能。
本文，长春工业大学金琳 等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Fabrication of Porous Reduced Graphene Oxide Encapsulated Cu(OH)2 Core–shell Structured Carbon Fiber-Based Electrodes for High-Performance Flexible Supercapacitors”的论文，研究通过一种可扩展的方法制造出了一种多孔还原氧化石墨烯封装 Cu(OH)2 核壳结构 CF 基电极。廉价的 Cu(OH)2 纳米阵列可控地原位生长在 CF 基底上，残余的铜促进了导电性。作为外壳的多孔氧化石墨烯（PrGO）是通过镍纳米粒子刻蚀实现的，这不仅为电容提供了更多的活性位点，缩短了离子传输的通路，还有效缓解了内部活性材料的剥离。
此外，由于这种独特的核壳结构，外部 PrGO 层和内部有序的Cu(OH)2 纳米阵列之间的额外空间为电容存储提供了更大的空间。组装后的 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 电极具有出色的面积电容，在电流密度为 0.5 mA cm-2 时，电容高达 722 mF cm-2，这归功于其出色的结构和材料优势。所制备的 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF//AC//CF 不对称柔性全固态超级电容器的能量密度高达 0.052 mWh cm-2，并具有长期耐用性。这项工作为基于 CF 的可穿戴超级电容器提出了一种低成本、有效的分层结构电极制造方法。
图文导读
图1. 制备 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 电极的示意图。
图2. (a) CF 的 SEM 图像。(b, c) CF-5 min 的 SEM 图像和 Cu(OH)2/CF 的相应图像。(d) CF-20 min 的低倍扫描电镜图像。(e, f) CF-20 min 的高倍扫描电镜图像和 Cu(OH)2/CF 的相应图像，以及 (g) EDS 元素映射图像。(h, i) CF-30 min 的 SEM 图像和 Cu(OH)2/CF 的相应图像。
图3. 分别为（a）GO-Ni(OH)2、（b）GO-Ni 和（c）多孔 rGO 的扫描电镜图像；（d、e）GO 和多孔 rGO 的 TEM 图像；（f）PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的扫描电镜图像；（g）PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的 EDS 图谱；（h）Cu/CF 和 Cu(OH)2/Cu@CF 的 XRD 光谱、 (i) GO 和 PrGO 的 N2 吸附-解吸等温线（插图为 GO 和 PrGO 的孔径分布曲线），以及 (j) Cu(OH)2/Cu@CF 和 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的 N2 吸附-解吸等温线。
图4. (a)GO和PrGO的XPS光谱；(b)Cu(OH)2/Cu@CF和 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的 XPS 光谱对比；(c) 和 (d) (OH)2/Cu@CF 和 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的 C 1s 高分辨率 XPS 光谱；以及 (e, f) Cu(OH)2/Cu@CF 和 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的 Cu 2p 光谱。
图5：（a）不同电极的循环伏安图（CV）曲线；（b）不同电极在 1 mA cm-2 下的电静电充放电（GCD）曲线；（c）PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 电极在不同扫描速率下的 CV 曲线；（d）PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 电极在 0. 5 至 10 mA cm-2 的 GCD 曲线；(e) 不同电流密度下 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 电极的等效电容；(f) PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 电极在 10 mA cm-2 下循环 3000 次的稳定性；插图显示了 2000 次循环前后的 CV 曲线；(g) 不同电极的奈奎斯特图；(h) 具有出色储能能力的 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 电极示意图；(i) log(i) 与 log(v) 之间的关系；(j) 60 mV s-1 时的 CV 曲线，其中包括电容贡献（紫色区域）；(k) 不同扫描速率下扩散控制贡献与电容控制贡献之比。
图6：(a) 柔性 ASC 器件的结构示意图；(b) AC/CC 电极和 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 电极在 50 mV s-1 时的 CV 曲线；(c) 器件在不同扫描速率下的 CV 曲线；(d) 不同电流密度下的 GCD 曲线。(e) Ragone 图，(f) 器件在不同弯曲角度下的数码照片，以及 (g) 器件的循环稳定性；插图显示了 1000 个循环前后的 CV 曲线。(h) 两个串联器件的数码照片，用于为电子手表供电；以及 (i) 红色 LED 灯（5000 次循环后）。
小结
简而言之，我们通过一种简便的策略成功制造出了一种新型分层核壳结构碳纤维电极。通过原位还原和蚀刻获得的多孔还原氧化石墨烯（rGO）可作为导电外壳，提供丰富的活性位点并缩短离子扩散路径。在可控工艺下，Cu(OH) 阵列沉积在铜装饰的碳纤维上。由多孔 rGO 包覆 Cu(OH)2 形成的核壳结构具有大表面积和高导电性。制备的 PrGO/Cu(OH)/Cu@CF 电极在 0.5 mA cm-2 电流条件下的面积电容达到了 722 mF cm-2。此外，所组装的电化学存储装置还具有较高的能量密度和功率密度，分别为 0.052 mWh cm-2 和 0.63 mW cm-2，并且具有良好的循环稳定性。这些优异的性能归功于独特的纳米结构，它具有高导电性基底、更多的活性位点和更短的离子扩散通道。这项研究提出了一种新颖有效的方法来克服基于碳纤维的柔性电极所面临的棘手挑战，为设计基于纤维的高性能柔性超级电容器提供了宝贵的启示。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.3c14872
本文来自材料分析与应用，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
