湖南大学《Nanoscale》：简单高效的柔性膜制备方法，潜力巨大！

编辑推荐：本文利用水热法成功制备了一种类珍珠层复合膜，命名为Ti3C2Tx/HCNF@Lig，该复合膜具有较高的机械性能和电化学性能，有望在柔性/耐磨储能器件中得到实际应用，在柔性/可穿戴器件的实际应用中显示出巨大的潜力。

当今随着科技的快速发展，柔性/可穿戴电子器件已经显示出广泛的需求，这极大地促进了柔性电力能源系统的发展。可穿戴和柔性全固态超级电容器(FSCs)由于其高功率密度、超长循环寿命、快速充放电速率、机械灵活性等而得到了广泛的研究。到目前为止，已经成功开发了各种柔性全固态超级电容器，但是具有高机械性能、任意变形能力和优异性能的柔性全固态超级电容器的制备仍然引起了极大的兴趣。二维MXenes具有高电导率、高密度、高电活性等优异特性，在各个领域都有着广阔的应用前景。然而，MXenes由于其力学性能差、易再堆积等原因，限制了其直接应用。
湖南大学和防化研究院的研究人员，提出了一种简便有效的方法，通过真空辅助过滤组装工艺制备具有高机械性能和任意变形性的Ti3C2Tx和HCNF@Lig复合膜。相关论文以题为“Nacre-inspired composite films with high mechanical strength constructed from MXenes and wood-inspired hydrothermal cellulose-based nanofibers for high performance flexible supercapacitors”发表在Nanoscale上。
论文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/nr/d0nr08090j#!divAbstract
研究结果表明，通过水热处理和真空辅助过滤制备的柔性HCNF@Lig复合膜和Ti3C2Tx/HCNF@Lig(3@1)复合膜可以任意变形为各种形状，而没有任何损伤。Ti3C 2TX/HCNF @ Lig(3 @ 1)97/3复合薄膜显示出优异的综合性能，表现出22 MPa的拉伸强度、1.75×105S·m-1的高电导率和3.02g·cm-3的高密度。Ti3C2Tx/HCNF@Lig(3@1)97/3FSC电极在0.5A g-1的电流密度下表现出248 F g-1(748.96 F-cm-3)的高比电容和出色的循环稳定性。相应的FSC在功率密度为633.1 W L−1时可获得16.2 W h L−1的高能量密度，在功率密度为25.0KW L−1时可获得7.8 W L−1的高能量密度。此外，Ti3C2Tx/HCNF@Lig(3@1)97/3 FSC显示出优异的机械耐久性，在180次弯曲或/和重复滚动或/和2000次扭转的5000次循环后，电容保持率接近100%，在2000次折叠后，电容保持率为84%。
图1 (a)HCNF，(b)HCNF@Lig纳米纤维复合膜，和(c)受珍珠层激发的Ti3C2Tx/HCNF@Lig复合膜的合成示意图。
图2（a）Ti3C2Tx薄膜，（b）Ti3C2Tx/HCNF97/3，（c）Ti3C2Tx/HCNF@Lig(3@1)97/3和（d）Ti3C2Tx/HCNF@Lig(3@1)20/80复合膜的横截面SEM图像。
图3显示了Ti3C2Tx, T i3C2Tx/HCNF97/3和Ti3C2Tx/HCNF@Lig(3@1)97/3在FSC中的电极电化学性能比较。Ti3C2Tx、Ti3C2Tx/HCNF97/3和Ti3C2Tx/HCNF@Lig(3@1)97/3 FSC电极在0.5 A g−1的电流密度下具有204、226和248 F g−1的比电容，并且在20 A g−1的电流密度下可以保持90、108和120 F g−1。
图3 Ti3C2Tx, Ti3C2Tx/HCNF97/3和Ti3C2Tx/HCNF@Lig(3@1)97/3 在FSC中的电极电化学性能比较结果。
1×3c m2的Ti3C2Tx/HCNF@Lig (3@1)97/3FSC在不同变形状态(弯曲、滚动、扭转、折叠)下的电化学性能如图4所示。Ti3C2Tx/HCNF@Lig (3@1)97/3 FSC表现出非常好的灵活性和电化学稳定性。CV曲线的积分面积在5000次弯曲(图4a)和滚动(图4b)前后几乎相同，表明弯曲和滚动循环后接近100%的电容保持率。此外，Ti3C2Tx/HCNF@Lig (3@1)97/3FSC在2000次扭转循环后，显示出104%的略微增加的电容保持率，这可能是由于扭转操作增加了电极的有效面积。值得注意的是，Ti3C2Tx/HCNF@Lig (3@1)97/3 FSC在2000次折叠循环后仍能保持84%的电容量(图4d)。
图4  在经过 (a)180°弯曲和(b)滚动5000个周期，(c)扭转和(d) 以10mv s-1的扫描速率折叠2000次前后Ti3C2Tx/HCNF@Lig(3@1)97/3FSC的CV曲线。串联或并联的多个柔性装置的(e)CV和(f ) GCD曲线。(g)由三个串联的柔性超级电容器点亮的LED的数字图像。
总的来说，本文提出了一种简单有效的柔性膜制备方法，所制备的坚固的层状类HCNF、类HCNF@Lig复合膜和仿生类珍珠质Ti3C2Tx基复合膜，在柔性/可穿戴器件的实际应用中显示出巨大的潜力。（文：8 Mile）
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