柔性可穿戴器件以其輕質(zhì)、靈活柔韌和智能高效等特點將對未來穿戴帶來變革發(fā)展。在眾多柔性穿戴器件中纖維狀微型超級電容器是最具潛力的儲能器件。然而，目前所制備的導電纖維材料難以滿足超級電容器的要求，很難獲得電化學性能和機械性能兼俱佳的器件，特別是導電微納纖維材料的大規(guī)模有序制備也是該領(lǐng)域挑戰(zhàn)性研究課題之一。

圖1. a) 碳量子點和石墨烯之間形成“Dot-Sheet”結(jié)構(gòu)的示意圖；b)微流控紡絲技術(shù)制備CDs/Graphene纖維示意圖；c) CDs/Graphene纖維超級電容器為電子設(shè)備供能示意圖。

據(jù)悉，南京工業(yè)大學材料化學工程國家重點實驗室、化工學院陳蘇教授團隊從設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)材料入手，利用微流體紡絲機均勻成絲、大面積制備纖維為導向，以納米碳量子點等材料摻雜和限域微通道內(nèi)自組裝成孔為手段，構(gòu)筑了高機械強度、高能量密度輸出、具有柔性穿戴應(yīng)用前景的碳量子點/石墨烯(CDs/Graphene)纖維超級電容器。

圖2. a)微流體紡絲技術(shù)制備CDs/Graphene納米復合纖維的過程圖；b-d) CDs/Graphene纖維的電鏡圖；e) CDs/Graphene纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；f-g) CDs/Graphene纖維柔性編織和彎曲圖。

該研究成果以“Enriched Carbon Dots/Graphene Microfibers towards High-Performance Micro-Supercapacitors”為題并作為封底發(fā)表在國際材料領(lǐng)域的重要刊物Journal of Materials Chemistry A，2018, 6, 14112–14119上。

圖3. CDs/Graphene纖維超級電容器基于全固態(tài)酸性電解質(zhì)（H3PO4/PVA）的電化學性能。

該研究成果利用國內(nèi)南京捷納思微流體紡絲機大規(guī)模制備碳量子點/石墨烯（CDs/Graphene）納米復合纖維（圖1、附圖2）。其設(shè)備可高效制備出有序微納結(jié)構(gòu)纖維，在微流體限域通道內(nèi)，親水性的納米碳量子點和石墨烯通過氫鍵和脫水-縮合作用自組裝橋連形成“Dot-Sheet”結(jié)構(gòu)，從而提高了納米復合纖維的機械性能和電化學性能。碳量子點的加入，使得CDs/Graphene納米復合纖維表現(xiàn)出更寬的孔結(jié)構(gòu)分布（1.2~95.3 nm）、更高的比表面積（從245.6 m^2 g^-1提高至435.1 m^2 g^-1）和機械強度（從39.87 MPa提高至109.9 MPa）（圖2）。

圖4. CDs/Graphene纖維超級電容器基于全固態(tài)有機離子液體電解質(zhì)（EMIBF4/PVDF-HFP）的電化學性能。

CDs/Graphene納米復合纖維構(gòu)筑的超級電容器具有更優(yōu)異的電化學儲能性能：基于H3PO4/PVA的固態(tài)酸性電解質(zhì)中（圖3），如更高的比電容（從205 mF cm^-2提高至607 mF cm^-2）、高循環(huán)穩(wěn)定性（10,000次）和彎曲穩(wěn)定性（2,000次）；基于有機離子液體電解質(zhì)（EMIBF4/PVDF-HFP）（圖4），如更高的比電容（從80 mF cm^-2提高至215 mF cm^-2），極高的能量密度（67.37~46.67 μWh cm^-2）和功率密度（1.5~15 mW cm^-2）。

圖5. CDs/Graphene纖維電容器的機理分析。

碳量子點的加入顯著提高了比表面積的利用率（高達96%），通過理論分析和模擬計算（離子液體電解質(zhì)體系），碳量子點對電容的貢獻率高達22.1%（圖5）。該微流控紡絲技術(shù)不僅可以大規(guī)模生產(chǎn)纖維，還賦予纖維較高的柔性和可編織性，從而可將CDs/Graphene纖維狀電容器集成到柔性基底和織物中，成功的實現(xiàn)了為眾多電子設(shè)備供能比如：WLEDs、小型紅綠燈和智能手表（圖6）。

圖6. CDs/Graphene纖維電容器為電子器件供能的應(yīng)用。