超级电容器，相对较低的能量密度限制了其更广泛的应用。如何在不牺牲其高功率密度和循环稳定性的同时提高超级电容器的能量密度，是亟待解决的关键问题。为此，天津科技大学司传领教授、徐婷副教授与南京林业大学蔡旭敏副教授及华南理工大学赵祖金教授合作，基于纤维素纳米纤维（CNF）优异的机械性能、高比表面积以及丰富的羟基基团，提出利用界面协同效应，构建了具有介孔结构和优异导电性能的CNF/MXene杂化纤维。其中，CNF不仅改善了MXene的流变性能，而且有效抑制MXene纳米片的堆积，提升了杂化纤维的离子传输效率及电荷存储能力。所制备的杂化纤维展示出优异的电容性能，大幅提高了纤维基超级电容器的能量密度。此项研究工作发表在《Small》上，并被遴选为封面文章（Cover Story，图1），论文第一作者为天津科技大学硕士生梁启迪和博士生刘坤。
图1. 论文被遴选为封面。
图2. 湿法纺丝制备CNF/MXene杂化纤维的过程示意图。
该文采用湿法纺丝策略实现了CNF/MXene杂化纤维的可控制备。将纺丝液以0.1 mL/min的注射速率挤入乙酸旋转凝固浴中。由于乙酸与水之间的良好互溶性以及快速扩散性，纺丝原液在凝固浴中固化，形成具有稳定形状的凝胶纤维。随后将凝胶状纤维从凝固浴中拉出，并缠绕在卷筒上，室温干燥后，得到CNF/MXene杂化纤维。
图3. CNF/MXene杂化纤维三电极电化学性能。
CNF/MXene杂化纤维具有较高的比表面积，当CNF与MXene为1:4时，纤维比表面积为220.4 m2/g，且孔径集中分布在4-20 nm，丰富的介孔结构可为离子传输提供通道。此外，CNF和MXene片材上带负电的氧阴离子基团会与溶液中的水合质子（H3O+）发生静电相互作用，进而形成层间交联结构，显著提升纤维导电率（916.0 S/cm）。
为探究CNF/MXene杂化纤维的电化学性能，在三电极系统中以3 M H2SO4作为电解质，在-0.4-0.4 V电位范围下对纤维电极进行了研究（图3）。CV曲线在-0.3 V和-0.25 V处均呈现出一对明显的氧化还原峰，显示出典型的赝电容特性，表明添加CNF并未改变MXene的赝电容储能机制。利用GCD曲线计算纤维的体积比电容，在1.5 A/cm3电流密度下，CNF1MXene4纤维的体积比电容高达1457.0 F/cm3。
进一步，以CNF1MXene4作为活性材料和集电器，组装了柔性对称纤维基超级电容器。纤维超级电容器的CV曲线在2-50 mV/s的扫描速率范围内均呈现矩形轮廓。说明纤维电极之间高效的可逆性和电荷转移。此外，根据GCD曲线，单电极的体积比电容在0.1 A/cm3时为1354.5 F/cm3（511.6 F/g），表明其优异的电化学性能。所制备的柔性超级电容器在40.0 mW/cm3时具有30.1 mWh/cm3的高体积能量密度。组装后的超级电容器在10000次充放电循环后仍保持初始电容的83%，显示出优异的长期循环稳定性。三个串联连接的纤维超级电容器可以轻松地为电子闹钟供电，表明纤维超级电容器在柔性电子领域具有广泛的应用前景。
综上，基于CNF和MXene之间丰富氢键和静电相互作用，利用湿法纺丝工艺成功开发高电化学性能CNF/MXene杂化纤维。通过界面调控，不仅增强了纤维的结构稳定性，还优化了MXene纳米片之间的间距，促进了介孔结构的形成。提升了离子传输的速率，并增加了电化学反应的活性位点。所组装纤维基超级电容器不仅显示出优异的柔韧性和循环稳定性，还具有较高的能量密度。此外，纤维基超级电容器能为微电子设备供电，展示了其在可穿戴电子产品中的应用潜力。
全文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202307344
通讯作者简介
徐婷，天津科技大学特聘教授，“中国科协青年人才托举工程”（中科协资助）入选者，中国未来女科学家计划候选人。2020年于北京化工大学材料科学与工程学院获得博士学位，同年入职天津科技大学。任The Innovation（SCI一区，IF33.1）等学术期刊青年编委。研究方向包括纸基先进功能材料、纤维素纳米材料的可持续制备及先进纳米生物质复合材料等，先后主持国家自然科学基金、中央引导地方科技发展项目、中国博士后基金面上项目、企业横向项目及全国重点实验室开放基金等10余项。以第一/通讯作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials等学术期刊发表论文40余篇（其中ESI高被引论文16篇、热点论文10篇、封面论文12篇）。申请/获授权发明专利11项（其中国际专利4项），制定标准1项。先后获国家林草局梁希林业科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖、中国商业联合会科技进步奖、英国IChemE杰出研究奖等。
司传领，天津科技大学教授、博导、科技处副处长、全国青联委员。主要从事制浆造纸及生物质资源高值化利用方面的教学研究工作。以第一或通讯作者发表论文200余篇，授权发明专利40余项。入选国家“万人计划”科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才支持计划、国家林草局科技创新领军人才、天津市有突出贡献专家、天津市特聘教授、天津市科技创新领军人才等人才计划。入选科睿唯安“全球高被引科学家”榜单、美国斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”终身科学影响力和年度科学影响力榜单、Bentham Ambassador等。研究成果获教育部霍英东教育基金会高等院校青年教师奖、国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、中国轻工联合会科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖等。
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