Adv.Mater.：通過3D石墨烯/納米結構導電聚合物水凝膠實現可拉伸全凝膠態纖維狀超級電容器

【引言】

近來人們對導電聚合物水凝膠（CPHs）的關注日益密切，這是因為其特殊的三維網路納米結構和良好的導電性，使其成為極具潛力的材料載體，可用於儲能、催化、感測器和藥物傳輸等領域。但是，將導電聚合物水凝膠用於具有一定機械強度的輕型柔性器件，如平面型電極，仍然具有很大的挑戰性。為解決這一問題，一個較好的方案是加入氧化石墨烯來增強導電聚合物水凝膠的機械性能。

【成果簡介】

近日，德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授和四川大學肖丹教授（共同通訊）的研究團隊在Adv. Mater.發表了一篇題為「Stretchable All-Gel-State Fiber-Shaped Supercapacitors Enabled by Macromolecularly Interconnected 3D Graphene/Nanostructured Conductive Polymer Hydrogels」的文章。在這篇文章中，他們報告了由GO和CPHs自組裝而成的、具有大分子相互連接的3D石墨烯/納米結構導電聚合物水凝膠。所製備的3D PANI/ RGO雜化水凝膠，由於聚苯胺（PANI）和石墨烯之間具有很強的分子間相互作用力，展現出均勻的互連性和優異的機械性能，從而有效地減少了成型及還原過程中的團聚。基於PANI / RGO纖維和聚乙烯醇（PVA）/ H2SO4凝膠電解質的全水凝膠狀超級電容器具有出色的柔韌性、可塑性以及優異的電化學性能，且可以實現高達約40％的應變，提供8.80mWh·cm-3的體積能量密度（功率密度為30.77mW·cm-3），優於之前報道的許多纖維狀超級電容器。

【圖文導讀】

圖一基於自組裝方法製備PANI/GO混合水凝膠的示意圖

圖二PANI/RGO纖維和RGO纖維的形態

a, b, c）PANI/RGO纖維的SEM圖像；

d, e）RGO纖維的SEM圖像；

f）PANI/RGO纖維的EDS圖像。

圖三結構表徵

a）PANI/RGO, RGO和PANI的拉曼光譜；

b）PANI / RGO和PANI的XPS N 1s光譜；

c）PANI / RGO的XPS C 1s光譜;

d）PANI, PA和RGO之間的相互作用示意圖：黑色-RGO，綠色-PANI鏈，銀白色-PA分子，紫色-含氧基團;

e）RGO，PANI / RGO和PANI纖維的應變-應力曲線。

圖四電化學性能測試

a）10mV s-1時，RGO、PANI / RGO和PANI的CV曲線;

b, c, d）組裝對稱全電池的CV曲線，GCD曲線以及相應的倍率性能；

e）電流密度為1.26 A g-1時，全電池的電化學穩定性;

f）Ragone圖：PANI/RGO全凝膠狀全電池與之前報道的其他纖維狀超級電容器相比較（根據兩個電極的總體積和質量來計算比電容，能量和功率密度，而不考慮電解質）。

圖五實際應用

a）組裝的全水凝膠狀電池在正常，彎曲和扭曲狀態下的CV曲線;

b, c）彈簧狀全電池的彈性；

d）全電池串聯後的GCD曲線；

e）在正常和彎曲狀態下（比例尺為2厘米），為兩個LED燈供電的柔性電池示意圖。

【小結】

該團隊通過GO和PANI水凝膠的大分子自組裝製備了纖維狀水凝膠電極，與RGO纖維相比，其表現出更大的比電容和更強的機械性能。具體而言，PANI / GO雜化水凝膠中GO、PANI和PA之間存在很強的分子間相互作用，包括靜電相互作用，氫鍵效應和π-π堆疊，這對減少後續還原過程中的明顯聚集是有建設性作用的。隨著PVA基電解質的進一步凝膠化，開發了全凝膠態超級電容器，其不僅有極大的體積能量密度，還顯示出優異的機械靈活性和耐用性，可以製成儲能紗線，是為下一代可穿戴和攜帶型電子設備提供動力的有力候選人。

文獻鏈接：Stretchable All‐Gel‐State Fiber‐Shaped Supercapacitors Enabled by Macromolecularly Interconnected 3D Graphene/Nanostructured Conductive Polymer Hydrogels （Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/ adma.201800124）

相關文獻推薦：

"Multifunctional Nanostructured Conductive Polymer Gels: Synthesis, Properties & Applications", Acc. Chem. Res. 50, 1734 (2017).

"Energy Gels: A Bio-Inspired Material Platform for Advanced Energy Applications", Nano Today, 11, 738 (2016).

"Nanostructured Conductive Polymers for Advanced Energy Storage", Chem. Soc. Rev., 44, 6684 (2015).

"3D nanostructured conductive polymer hydrogels for high-performance electrochemical devices", Energy Environ. Sci., 6, 2856 (2013).

【通訊作者簡介】

UT Austin余桂華教授研究團隊開創並長期致力於三維納米結構的導電水凝膠多功能材料的研究，在國際知名期刊上發表過許多相關工作，包括：Nature Nanotech., Nature Commun., Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett., PNAS, Nano Today等。

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