袁国辉/郭再萍/刘荣EnSM：纤维织物上连接MXene薄片作为高性能织物电极的超快电子传输层- 大数跨境

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袁国辉/郭再萍/刘荣EnSM：纤维织物上连接MXene薄片作为高性能织物电极的超快电子传输层

科学材料站

2020-06-11

导读：本文提出了一种简单的制备高导电织物电极的方法，通过聚乙烯亚胺（PEI）改性的带正电聚酯织物与带负电的碳化钛MXene薄片相互吸引，使MXene薄片可以定向，均匀的负载在织物纤维的表面。

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作者：李小龙，郝俊南，何菡娜，王元明，梁葛萌，刘杨

通讯作者：袁国辉，郭再萍，刘荣

单位：哈尔滨工业大学，卧龙岗大学，河北农业大学

导读

高度柔性和可穿戴被认为是下一代电子产品的重要特征。在制备柔性电极的基底中，三维结构的织物由于其高的柔性，大的比表面积，质轻，制备工艺成熟等优点而备受青睐。如何在绝缘的织物基底上设计连续的电子传输通道，但不损害其固有的多孔结构、柔韧性和稳定性，是开发高性能器件的一大挑战。

基于以上现状，哈尔滨工业大学袁国辉教授，伍伦贡大学郭再萍教授，河北农业大学刘荣博士等在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Interfacing MXene flakes on fiber fabric as an ultrafast electron transport layer for high performance textile electrodes”的论文。李小龙博士和郝俊南博士为本文第一作者。

图1. 图文概要

文章提出了一种简单的制备高导电织物电极的方法，通过聚乙烯亚胺（PEI）改性的带正电聚酯织物与带负电的碳化钛MXene薄片相互吸引，使MXene薄片可以定向，均匀的负载在织物纤维的表面。由于MXene的表面化学性质，它们不仅可以形成连续的导电皮肤层，在10 V s -1下易于充放电，而且为进一步引入其他电化学活性材料创造了许多活性位点。作为一种概念应用的证明，作者在该导电织物上聚合吡咯（PPy），作为超级电容器电极，在不牺牲其机械性能的前提下，该织物电极表现出高的面积比电容、高的倍率性能和优异的循环稳定性。这些特点显示了所制备电极的巨大潜力，并且为其他智能纺织品的设计和开发提供了一种新的途径。

背景简介

1. 如何获得所需的导电的纺织物

最直观和最常用的方法是将具有低维和高比表面积的高导电纳米材料，例如一维（1D）碳纳米管和二维（2D）还原氧化石墨烯（rGO）引入到纺织基底上。然而，先前的研究表明，引入的碳纳米管很容易从织物纤维的表面脱离，由于其与织物基底之间弱的范德华力，而少层的rGO不可避免地会产生褶皱，这不利于rGO与织物纤维之间形成紧密贴合的导电通路。

同样，在目前大部分的研究报道中，在织物基底中引入的纳米碳材料是随机分布的，很难形成一个连续的电子传输网络。虽然表面化学修饰提高了纳米碳材料与织物纤维之间的结合力，但因为表面官能团的引入，使其导电性大大降低。为了弥补相对较低的电子传导，并且实现快速的充放电，织物基底中纳米碳材料的质量负载经常增加到几毫克每平方厘米，甚至十几毫克每平方厘米，严重损害了其成本、柔韧性，耐洗性和稳定性（由于变形时活性材料的脱落）。

更重要的是，纳米碳材料在多孔织物中的聚集和堆积抑制了复合电极内的离子输运，特别是在高电流密度下，降低了电极材料与电解质之间的接触表面积。此外，有限的比表面积不利于其它高性能电化学活性功能材料的进一步负载。因此，织物电极的独特性能在可穿戴器件中受到损害或无法应用。因此，设计导电材料与织物纤维之间形成理想的固-固界面和低质量负载是实现电极高性能的技术的关键。

2. MXenes简介

这是一种新的二维过渡金属碳化物和氮化物材料，其一般通式为Mn+1XnTx，其中M表示过渡金属，X表示碳或氮，n = 1、2或3，Tx表示各种表面官能团（例如，-O、-OH和-F）。到目前为止，MXene在超级电容器、各种离子电池、传感器、电磁干扰屏蔽、选择性离子筛、细胞成像和其他设备中的各种应用已引起广泛关注。

这是由于它们高的导电性（相当于10000 S cm-1薄膜）、层状结构、大的比表面积、亲水表面和相对良好的化学稳定性。由于MXene纳米片之间的天然亲水性和相互排斥性，它们很容易分散在水中形成纳米片。此外，Ti3C2Tx MXene具有良好的生物相容性，与皮肤接触时不会产生相应的风险，因此适用于可穿戴电子产品的设计。Ti3C2Tx-MXene独特的物理结构和化学表面使我们得以开发MXene基导电纺织品。

核心内容

在这项工作中，作者以聚乙烯亚胺（PEI）改性的带正电织物电极与带负电荷的Ti3C2Tx-MXene纳米片，通过静电自组装的方法，制备出一种高柔性和高导电性的织物电极。

先前的研究表明，PEI可以与各种材料共价相互作用，因此，PEI被用作正电荷处理剂，为织物电极提供化学和机械稳定性。静电组装后，MXene薄片可以均匀的包覆在织物纤维表面，形成连续的导电表层。这种结构缩短了离子扩散距离，使离子传输更加迅速。因此，MXene / PEI改性的织物电极（MXene / PMFF）表现出超高的速率性能，在电流密度1-50 mA cm-2 范围内容量几乎没有衰减，并且可以在10 V s-1的高扫速下进行充电/放电。虽然单独的2D MXene织物电极表现出一些所需的特性，但它们不能提供不同设备（如超级电容器）所需的所有特性，例如最大限度地提高能量密度、功率密度和循环寿命。MXene/PMFF织物电极具有大量的表面官能团、连续的导电网络、多孔结构和良好的可加工性能，使其成为一种很有前景的柔性基底用于其他高赝电容活性材料的负载。

作者通过原位聚合的方式在MXene / PMFF上聚合吡咯（PPy）合成PPy / MXene / PMFF超级电容器电极。MXene/PMFF柔性基底与PPy之间的形成的良好界面结构赋予该织物电极优异的电化学性能，包括高的面积比电容（1295 mF cm-2）、质量比电容（439 F g-1）、倍率性能（82%容量保持率从1到50 mA cm-2 ），循环性能（30000次循环后容量保持率为94.8%），以及优异的机械性能，确保在各种变形条件下维持其几乎不变的电化学性能。以PPy/MXene/PMFF织物电极组装的全固态对称超级电容器表现出458 mF cm-2的大的面积比电容，获得最大的面积能量密度为40.7 μWh cm-2，面积功率密度为25 mW cm-2。

图2.

(a) TEM image of MXene. SEM images of

(b) PMFF and

(c,d) MXene/PMFF.

(e) EDS mappings of C, O, Ti, and F for MXene/PMFF. (f,g) SEM images of PPy/MXene/PMFF.

(h–k) Photographs of PPy/MXene/PMFF electrodes with flexible, rollable and foldable properties.

图二.

(a) TEM image of MXene. SEM images of (b) PMFF and (c,d) MXene/PMFF. (e) EDS mappings of C, O, Ti, and F for MXene/PMFF. (f,g) SEM images of PPy/MXene/PMFF. (h–k) Photographs of PPy/MXene/PMFF electrodes with flexible, rollable and foldable properties.

文章链接:

Interfacing MXene flakes on fiber fabric as an ultrafast electron transport layer for high performance textile electrodes

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829720301768

导师简介:

袁国辉，教授

长期从事电化学储能和转换材料与器件方面的研究。先后主持国家重点研发计划项目、国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目、多项省部级科研项目和横向产业化合作项目等。获得黑龙江省科学技术奖（自然类）一等奖1项、航天部科技进步奖2项、轻工业部新产品奖1项。2018年6月，荣获黑龙江省首批“龙江科技英才”；2016年10月，荣获“龙江创新力量十佳个人”；2010年10月，荣获黑龙江省科学技术奖一等奖（自然类）。

郭再萍，教授

郭再萍，澳大利亚伍伦贡大学杰出教授（Distinguished Professor），兼任ACS Applied Materials & Interfaces杂志副主编，曾获得澳大利亚伊丽莎白女王基金奖、澳大利亚青年科学家奖、伍伦贡大学Vice-Chancellor’s Research Excellence Award。其课题组主要从事储能材料的研究，致力于探究低耗高效的方式合成二次电池电极材料，开发高性能电池，解决可充电池以及其他储能设备中的关键问题。郭教授在材料的设计与构筑，物理特性及电化学测试和模拟等方面拥有丰富的知识和经验，并有一套完整的研究体系。

郭再萍教授在Nat. Common., Sci. Adv., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等国际著名期刊发表多篇科研论文，其中if>10超过150篇。论文被引次数超过24486次，H-index为85 (基于谷歌学术，统计自2020.06.09)。2018, 2019年，获得Highly Cited Researcher Award（Clarivate Analytics评选），Peer Review Awards（Top 1% in Field）。