具有分級多孔、穩定界面耦合和加速電荷轉移和存儲的良好生物相容性的架構纖維電極對于實現面向可穿戴和可植入系統的高性能纖維形超級電容器(FSCs)至關重要。本文報道了一種基于靜電自組裝和微流控紡絲方法制備的分級多孔異質結構黑磷/Ti3C2TX MXene氣凝膠(A-BP/Ti3C2TX)纖維。密度泛函理論計算和原位/異位特性表明，所制備的A-BP/Ti3C2TX纖維具有互連的多孔網絡、高導電骨架和顯著的界面構建，表現出H+的低擴散能壘、H+的大吸附能、快速的界面電子傳導和優異的結構穩定性。因此，A-BP/Ti3C2TX纖維表現出增強的電解質離子擴散動力學和369 F G1的電容。此外，非對稱FSC提供6.39 Wh kg-1的良好能量密度和20 000次循環的長期循環穩定性，從而成功地為可穿戴設備供電。更重要的是，通過結合水凝膠粘合劑，可牢固粘附于組織的可植入FSCs顯示出顯著的彎曲穩定性(5000次循環后88.52%的電容保持率)，在組織液或潤濕的組織表面中令人印象深刻的粘附能力，并且相當無細胞毒性。這項工作為植入式能源技術和可穿戴應用的結構纖維電極的設計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水凝膠電解質的交聯網絡的組裝過程。c)生物粘合劑與FSCs在組織表面快速濕粘的示意圖和機理圖。
圖 2. 結構表征。A)A-BP/ti 3c 2 tx纖維在不同放大倍數下的橫截面和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系，e)不同掃描速率下的電容貢獻，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質量負載的A-BP/Ti3C2TX纖維的電容、SSA和電導率之間的關系。
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位置。b)ti 3c 2 tx和BP/Ti3C2TX中H+的擴散能壘。c)BP/ti 3c 2 tx的O位和P位的機理圖解。d)計算的H+在Ti3C2TX的O位、BP/Ti3C2TX的O位和BP/Ti3C2TX的P位上的相對吸附能。e)計算的BP/Ti3C2TX纖維的平面平均靜電勢(插入:BP和Ti3C2TX之間界面的差分電荷密度分布)。f)BP、Ti3C2TX和BP/Ti3C2TX的狀態密度。g)A-BP/ti 3c 2 tx纖維在1000和10 000次循環后的O 1s的XPS光譜。h)在放電/充電過程中A-BP/Ti3C2TX纖維電極的原位XRD圖案的等高線圖和相應的GCD曲線。
圖 5. A-BP/Ti3 C 2 TX纖維組裝固態燃料電池的電化學性能。a)PAM和SF/PAM水凝膠在具有di?erent持續時間的空氣環境中暴露的水分含量。(插圖:PAM和SF/PAM水凝膠的離子電導率。)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電流密度下的長期循環穩定性(插圖:最近十次循環的GCD曲線和20 000次循環前后A-BP/Ti 3 C 2 TX電極的SEM圖像。).e)與現有儲能裝置相比，FSC的功率密度、能量密度和循環次數。f)單個裝置和2個串聯和并聯裝置的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頻率下重復彎曲120°時，比容對循環次數的依賴性。(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，FSCs在10mv S1掃描速率下的CV曲線。(插圖:通過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的細胞活力圖。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。
相關科研成果由浙江理工大學Wangyang Lu，Guan Wu，Yang Zhang和清華大學Jianhong Xu等人于2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
