具有分级多孔、稳定界面耦合和加速电荷转移和存储的良好生物相容性的架构纤维电极对于实现面向可穿戴和可植入系统的高性能纤维形超级电容器(FSCs)至关重要。本文报道了一种基于静电自组装和微流控纺丝方法制备的分级多孔异质结构黑磷/Ti3C2TX MXene气凝胶(A-BP/Ti3C2TX)纤维。密度泛函理论计算和原位/异位特性表明，所制备的A-BP/Ti3C2TX纤维具有互连的多孔网络、高导电骨架和显著的界面构建，表现出H+的低扩散能垒、H+的大吸附能、快速的界面电子传导和优异的结构稳定性。因此，A-BP/Ti3C2TX纤维表现出增强的电解质离子扩散动力学和369 F G1的电容。此外，非对称FSC提供6.39 Wh kg-1的良好能量密度和20 000次循环的长期循环稳定性，从而成功地为可穿戴设备供电。更重要的是，通过结合水凝胶粘合剂，可牢固粘附于组织的可植入FSCs显示出显著的弯曲稳定性(5000次循环后88.52%的电容保持率)，在组织液或润湿的组织表面中令人印象深刻的粘附能力，并且相当无细胞毒性。这项工作为植入式能源技术和可穿戴应用的结构纤维电极的设计提供了一条广阔的道路。
图 1. A)A-BP/ti 3c 2 tx纤维制造的示意图和层相互作用演变。FSCs和SF/PAM水凝胶电解质的交联网络的组装过程。c)生物粘合剂与FSCs在组织表面快速湿粘的示意图和机理图。
图 2. 结构表征。A)A-BP/ti 3c 2 tx纤维在不同放大倍数下的横截面和b)表面SEM图像。c) TEM，(d) HRTEM，和e)A-BP/ti 3c 2 tx纤维的EDX元素图。f)BP、Ti3C2TX和BP/Ti3C2TX水溶液的ζ电位。g)BP、A-Ti3C2TX和A-BP/Ti3C2TX光纤的拉曼光谱。h)A-ti 3c 2 tx和A-BP/Ti3C2TX纤维的O 1s XPS分析。I)ti 3c 2 tx、A-Ti3C2TX和A-BP/Ti3C2TX纤维的N2吸附/解吸曲线(插图:孔径分布)。
图3. 基于1 m H2SO4电解液的电化学性能:A)1mV S1下的CV曲线，b)1 A G1下的GCD曲线，C)不同电流密度下的比电容，d)峰值电流密度和扫描速率之间的关系，e)不同扫描速率下的电容贡献，f) EIS分析和g)1m h2so 4电解液中C-Ti3C2TX、A-Ti3C2TX、A-BP/Ti3C2TX纤维的bode图。h) GCD曲线和I)具有不同BP质量负载的A-BP/Ti3C2TX纤维的电容、SSA和电导率之间的关系。
图 4. A)re stack C-ti 3c 2 tx纤维和多孔A-BP/Ti3C2TX纤维中的离子传输路径和存储位置。b)ti 3c 2 tx和BP/Ti3C2TX中H+的扩散能垒。c)BP/ti 3c 2 tx的O位和P位的机理图解。d)计算的H+在Ti3C2TX的O位、BP/Ti3C2TX的O位和BP/Ti3C2TX的P位上的相对吸附能。e)计算的BP/Ti3C2TX纤维的平面平均静电势(插入:BP和Ti3C2TX之间界面的差分电荷密度分布)。f)BP、Ti3C2TX和BP/Ti3C2TX的状态密度。g)A-BP/ti 3c 2 tx纤维在1000和10 000次循环后的O 1s的XPS光谱。h)在放电/充电过程中A-BP/Ti3C2TX纤维电极的原位XRD图案的等高线图和相应的GCD曲线。
图 5. A-BP/Ti3 C 2 TX纤维组装固态燃料电池的电化学性能。a)PAM和SF/PAM水凝胶在具有different持续时间的空气环境中暴露的水分含量。(插图:PAM和SF/PAM水凝胶的离子电导率。)b)different扫描速率下FSCs的CV曲线。c)different电流密度下FSCs的GCD曲线。FSCs在2 A g-1电流密度下的长期循环稳定性(插图:最近十次循环的GCD曲线和20 000次循环前后A-BP/Ti 3 C 2 TX电极的SEM图像。).e)与现有储能装置相比，FSC的功率密度、能量密度和循环次数。f)单个装置和2个串联和并联装置的GCD曲线。g、FSCs为灯供电、包上的LED显示屏以及集成到织物中的灯光的照片。
图 6. a)在PBS溶液中各种变形下猪肝表面上的PVA/PAA-NHS水凝胶的图像。b)在different频率下重复弯曲120°时，比容对循环次数的依赖性。(插图:FSCs在ascan速率为20mv S1的different频率下的CV曲线。c)粘附在猪心脏上后，FSCs在10mv S1扫描速率下的CV曲线。(插图:通过PVA/PAA-NHS水凝胶辅助的猪心脏上FSCs整合的图像。d)荧光显微图像和e)与different比率的提取物共培养的细胞活力图。f)将FSCs植入大鼠皮下组织的图像和14天后的代表性免疫染色图像。g)在对照组和FSCs植入组中收集14天的心、肝、脾、肺和肾组织的H&E染色图像。
相关科研成果由浙江理工大学Wangyang Lu，Guan Wu，Yang Zhang和清华大学Jianhong Xu等人于2024年发表在Advanced Functional Materials （https://doi.org/10.1002/adfm.202410005）上。原文：Hierarchically Porous and Hetero-Structured Black Phosphorus/Ti3C2TX MXene Aerogel Fiber for Wearable Supercapacitors with Implantable Capability
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202410005
转自《石墨烯研究》公众号
