Nano Res.[碳]│熊传银团队：构建多层分级导电结构的纤维素纳米纤维/碳纳米管/酒糟活性炭复合材料用于超级电容器和电磁屏蔽

近年来，人们对柔性自支撑储能器件的开发具有浓厚的兴趣。得益于较高的功率密度和稳定的使用寿命，柔性超级电容器也得到了广泛的研究。在大多数的研究工作中，电极材料的制备主要依赖于聚合物粘结剂（例如聚偏二氟乙烯）为其提供支撑作用。粘结剂可以为电化学活性物质与导电剂之间提供较好的连接作用，但聚合物粘结剂的使用难免会对活性物质的孔结构造成一定的影响，从而影响电极材料的储能性能。因此，开发多孔结构的自支撑电极材料就显得尤为重要。纤维素作为一种具有较大长径比和优异机械性能的一维生物质可再生材料，在自支撑超级电容器电极材料的制备中受到科学家们的关注。其中，自支撑复合材料的结构设计对其性能十分重要，因此，进一步开发具有良好力学性能以及均匀稳定结构的纤维素基功能材料是非常重要的。

受 “砖-砂浆”结构的启发，我们设计了一种用于储能和EMI屏蔽的具有多层分级导电结构的复合材料。在这项工作中，使用纳米纤维素（CNF）、碳纳米管（CNT）和酒糟活性碳（VAC）通过真空抽滤和冷冻干燥两步处理得到CNF/CNT/VAC(CCV)导电纤维素复合材料。得益于真空抽滤过程中CNF的自组装作用和冷冻干燥过程中冰晶的生长，在复合材料内部形成多层分级导电结构。其中导电结构为储能过程中电子的转移以及离子的扩散提供了高速通道，表现出优异的储能性能以及循环稳定性。同时，该结构赋予了CCV复合材料优异的EMI屏蔽性能。总之，本工作构建的多层分级导电结构对CCV复合材料用于储能和智能EMI屏蔽都是非常有益的。

图1 CCV复合材料用于超级电容器和电磁屏蔽

图2 (A) CV复合材料的结构示意图及其SEM图像，(B)CCV复合材料的多层分级导电结构调控机理及其对应的SEM图像， (C) CCV-3的结构示意图及其SEM图像。

图3储能性能：(A)多层分级导电结构中电子和离子快速转移示意图，(B)不同扫描速率下CCV-3复合材料的CV曲线，(C)不同电流密度下CCV-3复合材料的GCD曲线，(D)CCV-3复合电极材料的EIS曲线，(E)CCV-3复合电极材料的比电容，(F)CCV-3复合电极材料的循环稳定性，(G)循环前后CCV-3复合材料的EIS曲线，(H)循环前后CCV-3复合材料的相位角与频率的响应曲线， (I)质量比能量密度和功率密度比较图。

图4 EMI屏蔽性能：(A)复合材料的EMI屏蔽性能，(B)EMI屏蔽的具体数值，(C)屏蔽机制。

熊传银：陕西科技大学博士生导师、“青年拔尖人才”，2018年在西北工业大学获得博士学位。主要研究方向为碳材料（生物质基、石墨烯、碳纳米管等）的结构设计、制备及其在新能源（超级电容器、电池等）、传感和电催化领域的研究应用。已公开发表SCI 论文 80余篇，ESI热点论文2篇、高被引论文10余篇，H因子30。合作撰写Springer Publisher出版的英文专著“3D Graphene: Fundamentals, Synthesis, and Emerging Applications”中的一章“Introduction to 3D Graphene”。主持国家自然科学基金面上项目2项，博士后基金，陕西省自然科学基金，凝固技术国家重点实验室开放基金，企业横向课题等各类纵向和横向课题10余项。获陕西省高等学校科学技术研究优秀成果二等奖。担任《Frontiers in Energy Research》期刊副主编，中国科技期刊高起点新刊《eSciience》和卓越行动计划入选期刊《Rare Metals》青年编委,《Nanomaterials》、《Polymers》主题专刊客座编辑。

Wang T, Xiong C, Zhang Y, et al. Multi-layer hierarchical cellulose nanofibers/carbon nanotubes/vinasse activated carbon composite materials for supercapacitors and electromagnetic interference shielding. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6145-5.

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