南京林业大学付宇教授， Chemical Engineering journal 实现仿生界面工程构建柔性固态光热超级电容器。- 大数跨境

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南京林业大学付宇教授， Chemical Engineering journal 实现仿生界面工程构建柔性固态光热超级电容器。

科学材料站

2021-03-21

导读：该文章提出一种仿生界面策略构建具有优异电化学性能，机械柔韧性和光热性能的功能型MXene结构电极。通过MXene表面轻度原位生长SnS2纳米结构，并与纳米纤维素纤丝进行自组装，形成具有层层结构的MXe

文章信息

仿生界面策略构建具备优异力学性能MXene基柔性固态光热超级电容器

第一作者：蔡晨阳

通讯作者：付宇

单位：南京林业大学

研究背景

柔性电子和人工智能的发展极大地促进了储能器件的爆炸式增长。其中，柔性固态超级电容器因其充放电时间快、功率密度高、循环寿命长等优点成为研究的热点。

因此，开发具有优异机械性能和电化学性能的功能型电极是一个亟待解决的问题。MXene具有导电性好、表面化学性质可调、优异的体积比电容等优点，在超级电容器、锂离子电池、电化学催化等领域有着广泛的应用。

然而，当MXene二维纳米片组装成结构电极时，其易堆叠性和片层间缺乏良好的作用力仍然限制了其进一步的应用。因此，如何开发一种具有高电化学性能兼顾优良机械性能的MXene结构电极仍然是一个挑战。

此外，超级电容器在运行过程中会受到环境的制约。例如，在低温等恶劣环境中，离子的传输受到限制，导致电化学性能下降。如何在不牺牲电化学性能的前提下，增加其工作窗口，扩大其在不同环境下的应用，具有重要的现实意义。

文章简介

近日，来自南京林业大学付宇教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Bioinspired MXene nacre with mechanical robustness for highly flexible all solid-state photothermo-supercapacitor”文章。

本文提出了一种仿生界面策略来构建具有优良电化学性能、机械柔韧性和光热性能的功能性MXene结构电极。SnS2纳米结构在MXene表面轻度原位生长，并与纳米纤维素进行自组装，形成具有层层结构的MXene自支撑电极，具有很高的强度和良好的柔韧性。

原位SnS2具有界面增强和光热能力的双重作用，实现了MXene电极力学性能和光热转换能力的进一步提高。将MXene结构电极进一步组装成柔性全固态超级电容器，显示出优异的功率密度和循环稳定性。受益于该材料优异的光热转换性能，系统地研究了电容器在不同光照条件下的电化学储能行为，拓宽了超级电容器的应用范围。

图1. 仿生界面策略构建MXene基光热超级电容器

本文要点

要点一：仿生界面策略实现机械性能增强

采用仿生界面策略，构造了一种类似于贝壳的多层砖瓦结构，实现了MXene材料力学性能的提高。通过原位引入SnS2，以纤维素纳米纤丝作为物理交联剂组装成多尺度功能薄膜，在保持断裂伸长率的同时，拉伸强度相比纯MXene提高了5倍。同时，保持了良好的导电性，实现了高导电性与高力学性能的集成。

研究表明，MXene表面的SnS2可以作为防滑剂，增强MXene层间的物理作用力。同时，CNF分子链间的网络缠结效应进一步提高了材料的强度和韧性。因此，该功能膜可作为柔性高强度自支撑超级电容器电极。

图2. MXene复合薄膜的力学评估

要点二：实现柔性高功率密度和循环性能超级电容器

由于所得的MXene基结构电极具备优异的电化学性能和机械强度，可以将其用于构建柔性结构超级电容器。对称的MXene基超级电容器表现出较好的柔性，能够在弯折500后保持较好的电容保持率。并且充放电循环4000次仍然可以维持其初始电容值的91.5％，显示出出色的循环稳定性。此外，MXene基对称超级电容器在也展现出较好的能量密度和功率密度。

图3 MXene基柔性对称超级电容器的电化学性能

要点三：光热效应电化学性能的提升

由于离子迁移速度下降，超级电容器在低温环境工作中通常会表现出电化学性能的下降。因此，为了提高超级电容器在低温中使用性能，模拟了超级电容器在不同太阳光照强度下的电化学性能的变化。由于MXene和SnS2之间协同作用，光热转换性能明显提升，可以将周围的太阳光转换成热量从而降低材料的电阻，同时提升离子穿梭速率，实现电化学性能的提升。

测试超级电容器在0.5, 1, 和1.5 kW/m2光照强度下的循环伏安，充放电和交流阻抗性能，可以发现随着光照强度的提升，超级电容器的电容实现了梯度增长过程，电极和电解质的界面也得到了提升。同时测试了不同光照强度下的充放电循环，在10次循环后也表现出较好的循环稳定性。

经过计算，在1个太阳光照强度下，超级电容器的能量密度提升了60%。该工作为模拟光热条件下超级电容器工作提供了概念性验证。

图4 光热条件下MXene基柔性超级电容器的电化学性能研究

文章链接

Bioinspired MXene nacre with mechanical robustness for highly flexible allsolid-state photothermo-supercapacitor

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129275

通讯作者介绍

付宇教授。

2013年华盛顿州立大学材料工程博士，南京林业大学教授，博士生导师，江苏特聘教授。本课题组现已经建成100平米的独立实验室和以生物基材料的高效合成、资源的梯形利用及其功能性调控-精准修饰为基础，构筑多尺度、多功能、表界面和形貌可控的生物基高分子体系。依托南京林业大学材料科学与工程学院、现代分析测试中心、江苏省速生木材与农作物秸秆材料工程技术研究中心等大型研究平台，具有一流的化学、谱学、电化学、光学、纳米、材料表征仪器，加工中心等，将为各位青年才俊施展才华提供平台和空间。

付宇教授的主要研究方向是1. 仿生材料; 2. 生物基高分子功能材料；3. 储能器件-电容器和电池；4. 聚合物电解质和凝胶电解质；5. 新型多孔材料-COFs; MOFs; HOFs；6. 碳基纳米复合材料

蔡晨阳博士。

2018级南京林业大学博士研究生。研究兴趣：二维材料MXene与林业生物质纳米材料自组装过程，功能型气凝胶及电化学储能应用。目前第一作者已在JMCA, CEJ, ACS AMI发表多篇论文。

课题组介绍

http://wood.njfu.edu.cn/info/600

课题组招聘

http://muchong.com/t-14617846-1