南工陈苏教授团队开发出微流控纺丝导向的碳量子点柔性穿戴器件

柔性可穿戴器件以其轻质、灵活柔韧和智能高效等特点将对未来穿戴带来变革发展。在众多柔性穿戴器件中纤维状微型超级电容器是最具潜力的储能器件。然而，目前所制备的导电纤维材料难以满足超级电容器的要求，很难获得电化学性能和机械性能兼俱佳的器件，特别是导电微纳纤维材料的大规模有序制备也是该领域挑战性研究课题之一。

基此，南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、化工学院陈苏教授团队在国家自然科学基金重点基金的资助下，从设计多孔结构材料入手，利用微流体纺丝机均匀成丝、大面积制备纤维为导向，以纳米碳量子点等材料掺杂和限域微通道内自组装成孔为手段，构筑了高机械强度、高能量密度输出、具有柔性穿戴应用前景的碳量子点/石墨烯(CDs/Graphene)纤维超级电容器。该研究成果以“Enriched Carbon Dots/Graphene Microfibers towards High-Performance Micro-Supercapacitors”为题并作为封底发表在国际材料领域的重要刊物《Journal of Materials Chemistry A》（Qing Li,‡ Hengyang Cheng,‡ Xingjiang Wu,Cai-Feng Wang, Guan Wu* and Su Chen*， J. Mater. Chem.A, 2018, 6, 14112–14119）上。

该研究成果利用国内南京捷纳思微流体纺丝机大规模制备碳量子点/石墨烯（CDs/Graphene）纳米复合纤维（图1、附图2）。其设备可高效制备出有序微纳结构纤维，在微流体限域通道内，亲水性的纳米碳量子点和石墨烯通过氢键和脱水-缩合作用自组装桥连形成“Dot-Sheet”结构，从而提高了纳米复合纤维的机械性能和电化学性能。碳量子点的加入，使得CDs/Graphene纳米复合纤维表现出更宽的孔结构分布（1.2~95.3 nm）、更高的比表面积（从245.6 m2g-1提高至435.1 m2g-1）和机械强度（从39.87 MPa提高至109.9 MPa）（图2）。CDs/Graphene纳米复合纤维构筑的超级电容器具有更优异的电化学储能性能：基于H3PO4/PVA的固态酸性电解质中（图3），如更高的比电容（从205 mF cm-2提高至607 mF cm-2）、高循环稳定性（10,000次）和弯曲稳定性（2,000次）；基于有机离子液体电解质（EMIBF4/PVDF-HFP）（图4），如更高的比电容（从80 mF cm-2提高至215 mF cm-2），极高的能量密度（67.37~46.67 μWh cm-2）和功率密度（1.5~15 mW cm-2）。碳量子点的加入显著提高了比表面积的利用率（高达96%），通过理论分析和模拟计算（离子液体电解质体系），碳量子点对电容的贡献率高达22.1%（图5）。该微流控纺丝技术不仅可以大规模生产纤维，还赋予纤维较高的柔性和可编织性，从而可将CDs/Graphene纤维状电容器集成到柔性基底和织物中，成功的实现了为众多电子设备供能比如：WLEDs、小型红绿灯和智能手表（图6）。

a) 碳量子点和石墨烯之间形成“Dot-Sheet”结构的示意图；b)微流控纺丝技术制备CDs/Graphene纤维示意图；c) CDs/Graphene纤维超级电容器为电子设备供能示意图。

a)微流体纺丝技术制备CDs/Graphene纳米复合纤维的过程图；b-d) CDs/Graphene纤维的电镜图；e) CDs/Graphene纤维的应力-应变曲线；f-g) CDs/Graphene纤维柔性编织和弯曲图。

图3 CDs/Graphene纤维超级电容器基于全固态酸性电解质（H3PO4/PVA）的电化学性能

a) CDs/Graphene纤维的孔结构分析；b)纤维电容器在扫描速度为2 mV s-1下的CV曲线；c)纤维电容器在电流密度为0.1 mA cm-2时的充放电曲线；d)纤维电容器在不同电流密度下的比电容曲线；e)纤维电容器在电压0.8 V和电流密度1 mA cm-2条件下的循环性能曲线，插图为循环10000次后的充放电曲线；f)纤维电容器弯曲2000次的充放电曲线；g) CDs/Graphene纤维的活性位点示意图；h) CDs/Graphene纤维网络中离子传输通道（微/介孔）示意图

图4 CDs/Graphene纤维超级电容器基于全固态有机离子液体电解质（EMIBF4/PVDF-HFP）的电化学性能

a) 纤维电容器在扫描速度为2 mV s-1下的CV曲线； b)纤维电容器在电流密度为1mA cm-2下的充放电曲线；c)不同电流密度下的比电容曲线；d)三个纤维电容器并联的充放电曲线；e）纤维电容器的奈奎斯特交流阻抗曲线；f）纤维电容器与其他碳基纤维电容器的能量密度和功率密度对比图。

图5 CDs/Graphene纤维电容器的机理分析

离子液体电解质中离子在孔隙中的填充分布示意图。

图6 CDs/Graphene纤维电容器为电子器件供能的应用

a-c) CDs/Graphene纤维电容器为WLEDs，智能手表和小型红绿灯供能图。

附图1 封底

附图2 微流体纺丝机