具有分級(jí)多孔、穩(wěn)定界面耦合和加速電荷轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)的良好生物相容性的架構(gòu)纖維電極對(duì)于實(shí)現(xiàn)面向可穿戴和可植入系統(tǒng)的高性能纖維形超級(jí)電容器(FSCs)至關(guān)重要。本文報(bào)道了一種基于靜電自組裝和微流控紡絲方法制備的分級(jí)多孔異質(zhì)結(jié)構(gòu)黑磷/Ti3C2TX MXene氣凝膠(A-BP/Ti3C2TX)纖維。密度泛函理論計(jì)算和原位/異位特性表明，所制備的A-BP/Ti3C2TX纖維具有互連的多孔網(wǎng)絡(luò)、高導(dǎo)電骨架和顯著的界面構(gòu)建，表現(xiàn)出H+的低擴(kuò)散能壘、H+的大吸附能、快速的界面電子傳導(dǎo)和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，A-BP/Ti3C2TX纖維表現(xiàn)出增強(qiáng)的電解質(zhì)離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和369 F G1的電容。此外，非對(duì)稱(chēng)FSC提供6.39 Wh kg-1的良好能量密度和20 000次循環(huán)的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性，從而成功地為可穿戴設(shè)備供電。更重要的是，通過(guò)結(jié)合水凝膠粘合劑，可牢固粘附于組織的可植入FSCs顯示出顯著的彎曲穩(wěn)定性(5000次循環(huán)后88.52%的電容保持率)，在組織液或潤(rùn)濕的組織表面中令人印象深刻的粘附能力，并且相當(dāng)無(wú)細(xì)胞毒性。這項(xiàng)工作為植入式能源技術(shù)和可穿戴應(yīng)用的結(jié)構(gòu)纖維電極的設(shè)計(jì)提供了一條廣闊的道路。
圖 1. A)A-BP/ti 3c 2 tx纖維制造的示意圖和層相互作用演變。FSCs和SF/PAM水凝膠電解質(zhì)的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的組裝過(guò)程。c)生物粘合劑與FSCs在組織表面快速濕粘的示意圖和機(jī)理圖。
圖 2. 結(jié)構(gòu)表征。A)A-BP/ti 3c 2 tx纖維在不同放大倍數(shù)下的橫截面和b)表面SEM圖像。c) TEM，(d) HRTEM，和e)A-BP/ti 3c 2 tx纖維的EDX元素圖。f)BP、Ti3C2TX和BP/Ti3C2TX水溶液的ζ電位。g)BP、A-Ti3C2TX和A-BP/Ti3C2TX光纖的拉曼光譜。h)A-ti 3c 2 tx和A-BP/Ti3C2TX纖維的O 1s XPS分析。I)ti 3c 2 tx、A-Ti3C2TX和A-BP/Ti3C2TX纖維的N2吸附/解吸曲線(插圖:孔徑分布)。
圖3. 基于1 m H2SO4電解液的電化學(xué)性能:A)1mV S1下的CV曲線，b)1 A G1下的GCD曲線，C)不同電流密度下的比電容，d)峰值電流密度和掃描速率之間的關(guān)系，e)不同掃描速率下的電容貢獻(xiàn)，f) EIS分析和g)1m h2so 4電解液中C-Ti3C2TX、A-Ti3C2TX、A-BP/Ti3C2TX纖維的bode圖。h) GCD曲線和I)具有不同BP質(zhì)量負(fù)載的A-BP/Ti3C2TX纖維的電容、SSA和電導(dǎo)率之間的關(guān)系。
圖 4. A)re stack C-ti 3c 2 tx纖維和多孔A-BP/Ti3C2TX纖維中的離子傳輸路徑和存儲(chǔ)位置。b)ti 3c 2 tx和BP/Ti3C2TX中H+的擴(kuò)散能壘。c)BP/ti 3c 2 tx的O位和P位的機(jī)理圖解。d)計(jì)算的H+在Ti3C2TX的O位、BP/Ti3C2TX的O位和BP/Ti3C2TX的P位上的相對(duì)吸附能。e)計(jì)算的BP/Ti3C2TX纖維的平面平均靜電勢(shì)(插入:BP和Ti3C2TX之間界面的差分電荷密度分布)。f)BP、Ti3C2TX和BP/Ti3C2TX的狀態(tài)密度。g)A-BP/ti 3c 2 tx纖維在1000和10 000次循環(huán)后的O 1s的XPS光譜。h)在放電/充電過(guò)程中A-BP/Ti3C2TX纖維電極的原位XRD圖案的等高線圖和相應(yīng)的GCD曲線。
圖 5. A-BP/Ti3 C 2 TX纖維組裝固態(tài)燃料電池的電化學(xué)性能。a)PAM和SF/PAM水凝膠在具有di?erent持續(xù)時(shí)間的空氣環(huán)境中暴露的水分含量。(插圖:PAM和SF/PAM水凝膠的離子電導(dǎo)率。)b)di?erent掃描速率下FSCs的CV曲線。c)di?erent電流密度下FSCs的GCD曲線。FSCs在2 A g-1電流密度下的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性(插圖:最近十次循環(huán)的GCD曲線和20 000次循環(huán)前后A-BP/Ti 3 C 2 TX電極的SEM圖像。).e)與現(xiàn)有儲(chǔ)能裝置相比，F(xiàn)SC的功率密度、能量密度和循環(huán)次數(shù)。f)單個(gè)裝置和2個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)裝置的GCD曲線。g、FSCs為燈供電、包上的LED顯示屏以及集成到織物中的燈光的照片。
圖 6. a)在PBS溶液中各種變形下豬肝表面上的PVA/PAA-NHS水凝膠的圖像。b)在di?erent頻率下重復(fù)彎曲120°時(shí)，比容對(duì)循環(huán)次數(shù)的依賴性。(插圖:FSCs在ascan速率為20mv S1的di?erent頻率下的CV曲線。c)粘附在豬心臟上后，F(xiàn)SCs在10mv S1掃描速率下的CV曲線。(插圖:通過(guò)PVA/PAA-NHS水凝膠輔助的豬心臟上FSCs整合的圖像。d)熒光顯微圖像和e)與di?erent比率的提取物共培養(yǎng)的細(xì)胞活力圖。f)將FSCs植入大鼠皮下組織的圖像和14天后的代表性免疫染色圖像。g)在對(duì)照組和FSCs植入組中收集14天的心、肝、脾、肺和腎組織的H&E染色圖像。
相關(guān)科研成果由浙江理工大學(xué)Wangyang Lu，Guan Wu，Yang Zhang和清華大學(xué)Jianhong Xu等人于2024年發(fā)表在Advanced Functional Materials （https://doi.org/10.1002/adfm.202410005）上。原文：Hierarchically Porous and Hetero-Structured Black Phosphorus/Ti3C2TX MXene Aerogel Fiber for Wearable Supercapacitors with Implantable Capability
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202410005
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
