安徽大学王佩红/何稳CEJ：基于ZIF-8@MXene/碳纳米纤维微型超级电容器的高充电速率自充电能源系统

第一作者：张浩楠

通讯作者：何稳*，王佩红*

单位：安徽大学

随着物联网和可穿戴电子设备的迅速普及，各类能源方案不断涌现。基于能量收集与存储设备开发具有高充电率的柔性自充电电源系统（SCPS），是实现下一代高效能源系统的有效策略之一。作为能量收集单元，摩擦纳米发电机（TENG）凭借其高效率、低成本、可持续性及柔韧性等优势，在现代能量收集技术中展现出巨大潜力。迄今为止，科研人员已开发出多种基于TENG的柔性SCPS方案，主要分为电池-TENG与超级电容器-TENG两类。其中，超级电容器因其具有比电池更高的功率密度和更优的循环稳定性，成为SCPS系统中理想的能量存储单元。然而，然而，TENG通常表现出高电压、低电流和高内阻的输出特性。因此，当给低内阻的超级电容器供电时，充电速率非常缓慢，严重阻碍了基于TENG的SCPS的实际应用。因此，构建具有快速充电速率的新型柔性SCPS仍面临重大挑战。

近日，来自安徽大学的王佩红教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A high charging rate self-charging power system with Zeolitic Imidazolate Framework (ZIF-8)@MXene/carbon nanofibers based micro-supercapacitors for wearable electronics”的文章。该文章设计了一种利用TENG和ZIF-8@MXene/碳纳米纤维突触微型超级电容器（MSCs）的高充电速率和柔性的可穿戴柔性自充电电源系统。ZIF-8@MXene的加入有效地提高了碳纳米纤维电极的电荷转移效率和活性位点密度，提高微型超级电容器的电话学性能。所设计的电源管理电路（PMC）通过周期性导通将Ecoflex/BTO摩擦纳米发电机（TENG）产生的交流输出转换为稳定直流输出，显著降低了TENG与MSCs之间的阻抗差距，使SCPS能够高效收集环境中的高熵能量。平均充电速率高达26 mV s^-1，显著高于文献报道值。本研究制备的SCPS可为绿色能源与可持续发展提供重要技术支持。

将ZIF-8@MXene/碳纳米纤维微型超级电容器与Ecoflex/BTO TENG相结合，构建出一种具有高充电速率与优异储能性能的柔性自供电电源系统。通过静电纺丝技术结合碳化工艺，制备了ZIF-8@MXene/碳纳米纤维，并将其用作微型超级电容器的电极材料。ZIF-8@MXene的引入显著增加了碳纳米纤维的比表面积和电导率，从而赋予微型超级电容器优异的电化学性能。并且， Ecoflex/BTO TENG具有优秀的能量收集能力，在手掌轻拍下可以产生413.6 V的电压和28.1 μA的电流。

与CNF相比，添加ZIF-8@MXene后，ZMCNF纤维表面形成了分布均匀的突起结构，显著增大了电解液与纤维的接触面积，促进了更多电解液离子的吸附。此外，ZIF-8@MXene中的MXene提高了ZMCNF纤维的导电性，进一步提升了材料的电化学性能。DFT计算结果表明，H⁺与ZMCNF之间的吸附能（-1.531 eV）显著高于H⁺与CNF之间的吸附能（-1.341 eV）。同时，与CNF相比，ZMCNF在费米能级附近呈现出更高的态密度值，表明其具有更优异的电子传输性能。

SCPS工作时，皮肤与Ecoflex/BTO层持续发生接触-分离运动，使TENG组件产生相应交流电。PMC用于将TENG产生的交流电转换为直流电，为MSC单元供电；通过周期性导通可显著降低TENG与MSCs之间的阻抗差距，使SCPS能够高效收集环境中的高熵能量。其平均充电速率高达26 mV·s⁻¹，显著高于文献报道数值。

“A high charging rate self-charging power system with Zeolitic Imidazolate Framework (ZIF-8)@MXene/carbon nanofibers based micro-supercapacitor for wearable electronic”

王佩红教授简介：安徽大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，安徽省杰青，安徽省学术和技术带头人。2010年博士毕业于上海交通大学，先后在日本立命馆大学、新加坡南洋理工大学和美国佐治亚理工学院留学及从事科研工作。长期从事压电/摩擦电等能源材料、MEMS、振动能量采集及纳米发电机(TENG、PENG、EMG)等方面的研究工作。在国内外专业杂志（包括Nature. Comm., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等）发表论文100余篇，已经被引用9000余次(单篇最高被引用1000余次)。申请国家发明专利8项（已授权7项）。先后主持国家自然科学基金面上及青年项目、安徽省自然科学基金杰青及面上项目等在内的多项研究课题；参与国家863计划项目、国家自然科学基金项目等在内的重要课题。

何稳讲师简介： 2019年硕博连读毕业于韩国成均馆大学，取得博士学位，导师是Prof. Dae Joon Kang。随后在2019.07-2022.12期间加入南开大学马儒军教授课题组从事博士后工作。2022.12起加入安徽大学材料科学与工程学院王佩红教授团队工作。主要研究方向为基于摩擦纳米发电机和超级电容器的智能自充电体系的研究并取得了一系列的研究成果。迄今为止，已在Nano Letters、Nano Energy、Carbon等期刊发表论文二十余篇。担任Nano-micro Letters, Exploration, Carbon Neutralization等期刊青年编委，同时担任Nano Energy, Nano-micro Letters, Nanoscale等SCI期刊审稿人。

张浩楠博士简介：2024年毕业于安徽大学，取得博士学位。随后加入安徽大学材料科学与工程学院王佩红教授团队从事博士后工作。主要研究方向为摩擦纳米发电机，超级电容器及其自供电电源系统，并取得了一系列成果。以第一作者身份已在Nano Letters (1篇)、Chemical Engineering Journal (1篇)、 Journal of energy storage (2篇) 、Physical Chemistry Chemical Physics (1篇) 等期刊发表论文五篇。

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/Wang-Peihong