成果简介
微型超级电容器（MSC）的数字化制造为推进定制化集成微电子系统的发展带来了巨大希望。作为潜在的电极材料，碳质纳米材料（如碳纳米管）因其出色的导电性和机械坚固性而脱颖而出，但其离子存储位点较低，限制了其进一步应用。本文，中国科学院上海硅酸盐研究所 毕辉 研究员 、江苏大学 张侃 副教授、上海交通大学黄富强 教授等在《ACS Nano》期刊发表名为“Sulfur-Functionalized Carbon Nanotubes with Inlaid Nanographene for 3D-Printing Micro-Supercapacitors and a Flexible Self-Powered Sensing System”的论文，研究介绍了一种硫辅助原位活化策略，用于获得硫功能化的碳纳米管框架与嵌入式石墨烯纳米片（S-CNT/GNS）。
具体来说，硫功能增强了表面电荷密度，改善了界面亲水性，而镶嵌的纳米石墨烯片则提供了丰富的离子吸附位点。通过直接三维打印 S-CNT/GNS 墨水，制备出了具有理想功能性和出色电化学性能的平面MSC。值得注意的是，所开发的 MSCs具有 0.47 F cm-2 的高面积电容、64.6 μWh cm-2 的超高能量密度和 34.2 mW cm-2 的高功率密度。此外，在定制的S-CNT/GNS MSCs的基础上，构建了具有光伏电池和可拉伸传感器的全柔性自供电传感系统，展示了实时监测人体生理信号和身体运动的高效能力。这项工作不仅为开发高性能微型超级电容器提供了一种前景广阔的方法，而且为创建先进的可穿戴/柔性微电子系统奠定了基础。
图文导读
图1.用于 3D 打印 MSC 和自供电传感系统的 S-CNT/GNS 的综合图示
图2.S-CNT/GNS 的微观结构表征
图3.可印刷 S-CNT/GNS 油墨的流变特性。
图4、S-CNT/GNS纳米杂化物的电化学性能
图5.用于机械传感的全灵活自供电集成系统
小结
总之，我们成功地开发出了一种硫辅助原位活化方法，从而实现了硫功能化碳纳米管与丰富的嵌层石墨烯纳米片（S-CNT/GNS）。硫功能增强了碳骨架的表面电荷密度，提高了 S-CNT/GNS 的界面亲水性。同时，镶嵌的石墨烯纳米片有效地增加了 CNT 框架的电荷吸附/解吸位点。利用这种分层结构，采用基于 DIW 的三维打印技术制造出了高性能 S-CNT/GNS MSC。所制备的 MSCs 显示出很高的等面积电容（469 mF cm-2 @ 1 mA cm-2）、卓越的速率性能（308 mF cm-2 @ 100 mA cm-2）、出色的机械柔韧性和出色的循环耐久性（20000 次循环后的保持率为 96%）。此外，MSC还显示出卓越的能量密度（64.6 μWh cm-2）和功率密度（34.1 mW cm-2）。此外，我们还设计了一个自供电的机械传感系统，包括柔性光伏电池、印刷MSC和机械传感器。该系统在监测人体生理信号和身体运动方面表现出了出色的能力。我们坚信，3D打印的MSC和目前工作中探索的自供电传感系统在下一代可穿戴设备、人机交互和生物机器人技术方面都具有巨大的潜力。
文献：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c06879
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