南工大陈苏教授/南理工肖继军教授/天工大刘雍教授AFMs：基于相转移的微流控纺丝构筑柔性超级电容器

随着微型电子、可穿戴电子设备的快速发展，柔性轻便的纤维超级电容器以其灵活性高、重量轻、体积小、高功率密度、长期稳定性好等优点，成为材料化工领域的研究热点之一。然而，由于纤维结构致密、离子通道较少以及电化学活性较低，导致了电荷动力学传输与存储受阻，进而限制了其能量密度和实际应用。

针对上述问题，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授、南京理工大学化学与化工学院肖继军教授、天津工业大学刘雍教授合作，采用基于相转移的微流控纺丝组装技术，成功实现了微尺度下的结构调控（该调控过程借助微流控旋转湿法纺丝一体机实现，设备由南京贝耳时代科技有限公司与南京捷纳思新材料有限公司联合提供）。将导电聚合物PEDOT:PSS与石墨烯纳米片在微通道限域空间内自组装，再经过浓硫酸处理和化学还原，形成具有链/片结构的rGO/PEDOT多孔纤维无纺布，其导电性能（电导率为1968 S/m）显著提高，并且呈现良好的机械强度。显然，链/片结构的rGO/PEDOT多孔纤维无纺布可以大大缩短离子传输路径，并促进离子快速动力学扩散和电荷存储。微流控纺丝诱导组装技术，可充分发挥双电层电容性碳基材料与赝电容材料之间的协同效应，从而获得高功率密度、高能量密度和长循环稳定性的柔性电极材料。所构筑的三明治结构的固态电容器展现出优异的比电容（1028.2 mF cm 2）、高能量密度（22.7 μWh cm 2）、长循环寿命（5000 cycles）与大形变供电能力，实现了为电子产品稳定供能的应用，并为柔性可穿戴产业的发展提供新途径。该研究成果以“Phase inversion-based microfluidic-fiber-spinning assembly of self-supported rGO/PEDOT fiber fabrics towards wearable supercapacitors”（DOI: AFMS-D-23-00511R2）为题发表在期刊Advanced Fiber Materials上。南京理工大学博士研究生周靓靓为第一作者，南京理工大学肖继军教授，南京工业大学陈苏教授以及天津工业大学刘雍教授为通讯作者。

该课题得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、江苏省高校优势学科建设工程等基金的资助和支持。

图文速递

图1. 基于微流控纺丝技术制备rGO/PEDOT纤维无纺布示意图

图2. rGO/PEDOT纤维无纺布的形貌、比表面积和力学性能

图3. rGO/PEDOT纤维无纺布的拉曼、红外、XRD和XPS表征

图4. rGO/PEDOT纤维无纺布的电化学性能与储能机理

图5. 固态rGO/PEDOT纤维无纺布基超级电容器的电化学性能和可穿戴应用

图6. 微流控旋转湿法纺丝一体机：可实现微流控纺丝、旋转纺丝和湿法纺丝（由南京贝耳时代科技有限公司与南京捷纳思新材料有限公司联合研制）

微流控旋转湿法纺丝一体机：

● 以微流控芯片为核心，克服传统物理过程纺丝的缺陷，实现形貌精准调控；

● 在微通道内实现限域组装，实现微尺度下结构调控；

● 在微米或亚毫米受限空间内实现纺丝化学过程，可实现原位合成纳米材料。

图7 微流控纺丝：结构调控与纺丝化学

来源：高分子科学前沿