高功率和能量密度的储能材料对于降低能耗和可持续发展至关重要。通过各种先进技术对储能材料进行微观结构调控能够为开发高性能电池和超级电容器提供有效解决方案。但如何在微/纳尺寸范围内设计复杂微通道以精确控制二维材料的微观形貌和结构取向，并且开发层间低范德华力、可调层间距和原位异质复合电极材料仍是一个难题。因此，探索低成本、高效便捷的方法和合适的先进材料来制造理想的高能量密度柔性电极是当前高度关注的问题。
针对上述科学问题，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与合肥工业大学沈益忠教授合作，创新性地探索出一种利用微流控纺丝化学法将高性能导电材料制备出新型纤维无纺布电极的方法，并以此纤维无纺布上负载导电聚合物，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，获得高功率密度、高能量密度以及长循环稳定性的柔性超级电容器电极材料。首先，针对传统制备柔性纤维无纺布电极材料存在力学性能差、透气性差、比表面积小及难以规模化等问题。首次提出微流体螺旋湿法纺丝化学法（微流体螺旋湿法纺丝机由南京捷纳思新材料有限公司与南京贝耳时代科技有限公司联合研制提供）制备了MXene/石墨烯量子点三维致密多孔网状结构纤维无纺布电极材料。通过微尺度下的结构调控，将石墨烯量子点与MXene交联形成点/片结构，使复合纤维的拉伸强度和断裂伸长率提高了2.5倍。PANI纳米阵列包裹在电极表面增加更多的微孔和介孔，并提供了更大的表面积和更多的离子扩散通道，降低了离子传输所需的能垒。微流控纺丝化学下的过程强化，构筑了PANI@MXene/GQDs多尺度纤维电极，表现出良好的机械灵活性、出色的比电容（547 F g-1和1829 F cm-3）、超高的能量密度（6.34 Wh kg-1和21.19 mWh cm-3）以及良好的长期循环稳定性。与传统的湿纺和静电纺丝策略相比，微流控纺丝化学策略可以对微通道中反应物的结构和形貌进行精确调控，无需聚合物粘合剂辅助，即可将MXene等导电材料通过微流控湿法组装构筑无纺布电极。该研究成果于近日发表在国际重要刊物《Advanced Materials》上。(Robust PANI@MXene/GQDs based fibre fabric electrodes via microfluidic wet-fusing spinning chemistry, Advanced Materials. 2023)。南京工业大学博士研究生邱慧为第一作者。南京工业大学陈苏教授与合肥工业大学沈益忠教授为共同通讯人。
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、国家青年自然基金、江苏省高校优势学科建设工程、材料化学工程国家重点实验室等基金的资助和支持。
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