南工大陈苏团队《德国应化》:微流体静电纺丝法构筑新型硼-碳纳米纤维

引言:近期,新能源储存技术在未来高端智能化的可穿戴设备行业(年产值280亿美元)备受关注。为满足可穿戴电子产品的供电需求,开发高能量密度的柔性超级电容器(FSCs)是当今新能源领域极具挑战性的课题之一。其中,二维(2D)硼纳米片因具有高于石墨烯四倍的理论比电容,成为超级电容器电极的首选材料。然而,其层间电导差、比表面积小和孔隙率低,严重制约电荷转移、离子扩散及存储过程,导致FSCs的能量密度难以进一步提高。因此,开发具有高孔隙率、大比表面积和高能量密度的新型二维硼基FSCs仍面临着挑战。

针对上述科学问题,南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、化工学院陈苏教授武观副教授等人,在国家自然科学基金的资助下,从设计硼纳米片有序纳微结构入手,以高效促进离子迁移、累积和电子传导为目标,利用微流体静电纺丝技术(微流体静电纺丝机由南京捷纳思新材料有限公司提供),制备各向异性的硼-碳异质纳米片(ABCNs)纤维织物电极,以该织物电极构筑的FSCs呈现出超高的储能性能(能量密度:167.05 mWh cm-3,体积比电容:534.5 F cm-3)。高电化学储能要点如下:1)各向异性硼-碳异质纳米片的设计。基于自下而上的气相剥离和缩合策略,块状硼间的B-B键被打开形成2D硼纳米片,同时,在2D硼片层间,通过引入B-C化学键,原位桥接氮掺杂碳纳米片,形成硼-碳双层异质纳米片。相比于块状硼粉低比表面积(0.032 m2 g-1)、紧密堆垛结构(0.018 cm3 g-1)和差电导(<1S m-1),ABCNs表现出大比表面积(163.2 m2 g-1),高孔隙率(0.36cm3 g-1)和导电性(1351 S m-1),可增强界面耦合提高电荷转移,以及提供丰富的通道和表面,高效促进离子动力学扩散和存储。2)微流体静电纺丝构筑高柔性纳米纤维织物电极。针对FSCs电极机械柔性差和难以大面积制备的难题,基于微流体静电纺丝法,通过调控纺丝液粘度、流速、通道尺寸等诸纺丝条件,构筑高机械柔性(断裂伸长率41.72%)和导电性能(15890 S m-1)的织物电极,为FSCs的可穿戴大形变供电应用提供了基础。基于以上优异特性,将FSCs与压力传感器集成到织物中,设计出可穿戴式储能-传感系统,该系统能实时稳定检测人体各种信号,例如手腕脉搏、心跳、手指、背部和颈部弯曲信号,为FSCs在可穿戴领域的实际应用提供新途径。该研究成果于近日发表在国际重要刊物《Angewandte Chemie International Edition》上。。论文的第一作者为硕士生吴天宇博士生吴兴江

南工大陈苏团队《德国应化》:微流体静电纺丝法构筑新型硼-碳纳米纤维

图1. 微流体静电纺丝机(南京捷纳思新材料有限公司提供)。

南工大陈苏团队《德国应化》:微流体静电纺丝法构筑新型硼-碳纳米纤维

图2. (a)合成ABCNs的原理图;(b)块状硼的SEM图;(c)硼纳米片的SEM图;(d)ABCNs的SEM图;(e-g)ABCNs在低倍与高倍下的TEM图;(h-j)ABCNs的EDSmapping图。

南工大陈苏团队《德国应化》:微流体静电纺丝法构筑新型硼-碳纳米纤维

图3. (a) 微流控静电纺丝制备ABCNs纳米复合纤维膜的示意图;(b) 不同ABCNs浓度下制备的纳米复合纤维膜的SEM图(10, 12, 15, 18 wt%.);(c) ABCNs浓度与纤维直径、导电性以及断裂伸长率的关系。

南工大陈苏团队《德国应化》:微流体静电纺丝法构筑新型硼-碳纳米纤维

图4. (a) 块状硼、硼纳米片及ABCNs超级电容器在扫描速率为500 mV/s下的CV曲线图;(b) 块状硼、硼纳米片及ABCNs超级电容器在电流密度为0.1 A cm-3下的恒电流充放电曲线图;(c) 块状硼、硼纳米片及ABCNs超级电容器在不同电流密度下的体积比电容;(d) 块状硼、硼纳米片及ABCNs超级电容器的EIS光谱图;(e)ABCNs超级电容器在扫描速率为50 mV/s下的循环稳定性;(f)ABCNs超级电容器与前人工作的能量密度及功率密度对比;(g) ABCNs超级电容器在电流密度为0.6 A cm-3下的弯曲稳定性;(h) ABCNs超级电容器在扫描速率为100 mV/s下的折叠和扭曲状态下的CV曲线图;(i) ABCNs超级电容器在串并联状态下的恒电流充放电图。

南工大陈苏团队《德国应化》:微流体静电纺丝法构筑新型硼-碳纳米纤维

图5. (a)可穿戴储能-传感系统原理图;(b)可穿戴储能-传感系统测试的运动前后脉搏跳动曲线;(c)可穿戴储能-传感系统测试的心脏跳动曲线;(d)自供能模型原理图;(e)自供能电梯装置。

南工大陈苏团队《德国应化》:微流体静电纺丝法构筑新型硼-碳纳米纤维

图6. (a)柔性超级电容器的结构原理图。(b)块状硼、硼纳米片及ABCNs超级电容器的电容及能量密度对比。(c) ABCNs超级电容器的能量密度与其他二维材料能量密度的对比。(d)三种不同结构电极的电荷转移及离子储存。

参考文献:

Anisotropic Boron-Carbon Hetero-Nanosheets for Ultrahigh Energy Density Supercapacitors, Angew.Chem. Int. Ed., 2020, DOI:10.1002/anie.202011523

全文链接:

https://doi.org/10.1002/anie.202011523

相关文章

微信