引言：近期，新能源儲(chǔ)存技術(shù)在未來高端智能化的可穿戴設(shè)備行業(yè)（年產(chǎn)值280億美元）備受關(guān)注。為滿足可穿戴電子產(chǎn)品的供電需求，開發(fā)高能量密度的柔性超級(jí)電容器（FSCs）是當(dāng)今新能源領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的課題之一。其中，二維（2D）硼納米片因具有高于石墨烯四倍的理論比電容，成為超級(jí)電容器電極的首選材料。然而，其層間電導(dǎo)差、比表面積小和孔隙率低，嚴(yán)重制約電荷轉(zhuǎn)移、離子擴(kuò)散及存儲(chǔ)過程，導(dǎo)致FSCs的能量密度難以進(jìn)一步提高。因此，開發(fā)具有高孔隙率、大比表面積和高能量密度的新型二維硼基FSCs仍面臨著挑戰(zhàn)。
針對(duì)上述科學(xué)問題，南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化工學(xué)院陳蘇教授、武觀副教授等人，在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，從設(shè)計(jì)硼納米片有序納微結(jié)構(gòu)入手，以高效促進(jìn)離子遷移、累積和電子傳導(dǎo)為目標(biāo)，利用微流體靜電紡絲技術(shù)（微流體靜電紡絲機(jī)由南京捷納思新材料有限公司提供），制備各向異性的硼-碳異質(zhì)納米片（ABCNs）纖維織物電極，以該織物電極構(gòu)筑的FSCs呈現(xiàn)出超高的儲(chǔ)能性能（能量密度：167.05 mWh cm-3，體積比電容：534.5 F cm-3）。高電化學(xué)儲(chǔ)能要點(diǎn)如下：1）各向異性硼-碳異質(zhì)納米片的設(shè)計(jì)。基于自下而上的氣相剝離和縮合策略，塊狀硼間的B-B鍵被打開形成2D硼納米片，同時(shí)，在2D硼片層間，通過引入B-C化學(xué)鍵，原位橋接氮摻雜碳納米片，形成硼-碳雙層異質(zhì)納米片。相比于塊狀硼粉低比表面積（0.032 m2?g-1）、緊密堆垛結(jié)構(gòu)（0.018 cm3?g-1）和差電導(dǎo)（<1S m-1），ABCNs表現(xiàn)出大比表面積（163.2 m2?g-1），高孔隙率（0.36cm3?g-1）和導(dǎo)電性（1351 S m-1），可增強(qiáng)界面耦合提高電荷轉(zhuǎn)移，以及提供豐富的通道和表面，高效促進(jìn)離子動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散和存儲(chǔ)。2）微流體靜電紡絲構(gòu)筑高柔性納米纖維織物電極。針對(duì)FSCs電極機(jī)械柔性差和難以大面積制備的難題，基于微流體靜電紡絲法，通過調(diào)控紡絲液粘度、流速、通道尺寸等諸紡絲條件，構(gòu)筑高機(jī)械柔性（斷裂伸長(zhǎng)率41.72%）和導(dǎo)電性能（15890 S m-1）的織物電極，為FSCs的可穿戴大形變供電應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。基于以上優(yōu)異特性，將FSCs與壓力傳感器集成到織物中，設(shè)計(jì)出可穿戴式儲(chǔ)能-傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)穩(wěn)定檢測(cè)人體各種信號(hào)，例如手腕脈搏、心跳、手指、背部和頸部彎曲信號(hào)，為FSCs在可穿戴領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供新途徑。該研究成果于近日發(fā)表在國(guó)際重要刊物《Angewandte Chemie International Edition》上。。論文的第一作者為碩士生吳天宇、博士生吳興江。
圖1. 微流體靜電紡絲機(jī)（南京捷納思新材料有限公司提供）。
圖2. (a)合成ABCNs的原理圖；(b)塊狀硼的SEM圖；(c)硼納米片的SEM圖；(d)ABCNs的SEM圖；(e-g)ABCNs在低倍與高倍下的TEM圖；(h-j)ABCNs的EDSmapping圖。
圖3. (a) 微流控靜電紡絲制備ABCNs納米復(fù)合纖維膜的示意圖；(b) 不同ABCNs濃度下制備的納米復(fù)合纖維膜的SEM圖（10, 12, 15, 18 wt%.）；(c) ABCNs濃度與纖維直徑、導(dǎo)電性以及斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系。
圖4. (a) 塊狀硼、硼納米片及ABCNs超級(jí)電容器在掃描速率為500 mV/s下的CV曲線圖；(b) 塊狀硼、硼納米片及ABCNs超級(jí)電容器在電流密度為0.1 A cm-3下的恒電流充放電曲線圖；(c) 塊狀硼、硼納米片及ABCNs超級(jí)電容器在不同電流密度下的體積比電容；(d) 塊狀硼、硼納米片及ABCNs超級(jí)電容器的EIS光譜圖；(e)ABCNs超級(jí)電容器在掃描速率為50 mV/s下的循環(huán)穩(wěn)定性；(f)ABCNs超級(jí)電容器與前人工作的能量密度及功率密度對(duì)比；(g) ABCNs超級(jí)電容器在電流密度為0.6 A cm-3下的彎曲穩(wěn)定性；(h) ABCNs超級(jí)電容器在掃描速率為100 mV/s下的折疊和扭曲狀態(tài)下的CV曲線圖；(i) ABCNs超級(jí)電容器在串并聯(lián)狀態(tài)下的恒電流充放電圖。
圖5. (a)可穿戴儲(chǔ)能-傳感系統(tǒng)原理圖；(b)可穿戴儲(chǔ)能-傳感系統(tǒng)測(cè)試的運(yùn)動(dòng)前后脈搏跳動(dòng)曲線；(c)可穿戴儲(chǔ)能-傳感系統(tǒng)測(cè)試的心臟跳動(dòng)曲線；(d)自供能模型原理圖；(e)自供能電梯裝置。
圖6. (a)柔性超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)原理圖。(b)塊狀硼、硼納米片及ABCNs超級(jí)電容器的電容及能量密度對(duì)比。(c) ABCNs超級(jí)電容器的能量密度與其他二維材料能量密度的對(duì)比。(d)三種不同結(jié)構(gòu)電極的電荷轉(zhuǎn)移及離子儲(chǔ)存。
參考文獻(xiàn)：
Anisotropic Boron-Carbon Hetero-Nanosheets for Ultrahigh Energy Density Supercapacitors, Angew.Chem. Int. Ed., 2020, DOI：10.1002/anie.202011523
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