如何用先進有序微結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)新能源器件的高性能化是能源化工領(lǐng)域前沿課題之一。其中，構(gòu)筑具有高能量密度、大形變穩(wěn)定供能、高柔性編織、自供能等性能的纖維基超級電容器被寄予厚望，它對促進可穿戴電子產(chǎn)業(yè)進步具有重大意義。然而，由于纖維基材料微結(jié)構(gòu)重復性差、難以調(diào)控、成分不均一及規(guī)模化制備困難等，造成器件中電荷遷移速度慢、累積總量少、能量密度低等缺點，一直是該領(lǐng)域的瓶頸。

針對上述科學問題，南京工業(yè)大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授、武觀副教授等人，首次使用液滴微流控反應(yīng)的方法，通過組成基元在微液滴限域空間內(nèi)快速反應(yīng)，從而連續(xù)制備均一有序結(jié)構(gòu)的微-介孔碳骨架納米雜化電極材料。使其在微液滴反應(yīng)器中快速傳質(zhì)、傳熱，實現(xiàn)MOFs（ZIF-8）、石墨烯和碳納米管快速有效組裝反應(yīng)，退火后制備的碳骨架納米雜化材料具有良好的孔結(jié)構(gòu)（孔徑0.86nm）、大的比表面積（1206m2g-1）和豐富的氮含量（10.63%）。

再者，針對電極力學性能差和難以規(guī)模化制備等難題，首次開發(fā)微流體氣噴紡絲方法（微流體氣噴紡絲機由南京捷納思新材料有限公司提供），大規(guī)模制備具有高導電性（236Sm-1）和高力學性能（楊氏模量235.2Mpa，斷裂伸長率43.1%）的纖維基超級電容器電極材料。以此構(gòu)筑的纖維基超級電容器表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，如高能量密度（147.5mWhcm-3）、大比電容（472Fcm-3）、穩(wěn)定形變供能和自供能的特性，為柔性可穿戴產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供新途徑。該研究成果于近日發(fā)表在國際重要刊物《AngewandteChemieInternationalEdition》上。（HierarchicalMicro-MesoporousCarbonFrameworks-BasedHybridNanofibresforHigh-DenseCapacitiveEnergyStorage,Angew.Chem.Int.Ed.2019,DOI:10.1002/anie.201911023）。南京工業(yè)大學博士研究生程恒洋為第一作者。

圖1.微流體氣噴紡絲機（南京捷納思新材料有限公司提供）。

圖2.(a)微液滴法制備微介孔碳骨架納米材料示意圖；(b)單個液滴不同反應(yīng)時間的光學照片。

圖3.(a)微流控氣噴法大規(guī)模制備柔性纖維基電極示意圖；(b——d)不同紡絲液中活性材料含量（3wt%，5wt%，8wt%）制備得到纖維的直徑分布圖；(e)不同紡絲液濃度纖維電極的平均直徑、電導率與延伸率的關(guān)系；(f)所制備的柔性纖維基電極照片和纖維的SEM圖像。

圖4.(a)超級電容器的構(gòu)筑及其應(yīng)用示意圖；(b)不同組分構(gòu)筑的電極結(jié)構(gòu)示意圖，基于MOFs得到的碳多面體單層化學結(jié)構(gòu)示意圖；(c)不同電極組裝的超級電容器的CV循環(huán)曲線圖；(d)不同電極組裝的超級電容器的充放電曲線圖；(e)不同電極組裝的超級電容器的比電容值；(f)不同電極組裝的超級電容器的阻抗分析。

圖5.(a)超級電容器不同彎曲角度下的電容保留率；(b)超級電容器不同形變下的充放電曲線圖；(c)柔性超級電容器嵌于織物實現(xiàn)對智能衣物供能；(d)柔性超級電容器結(jié)合太陽能電池得到的自供能系統(tǒng)。

該研究成果獲得審稿人高度評價：“Thismanuscriptdemonstratesaninterestingstudyon"HierarchicalPorousCarbonHybridNanofibresforCapacitiveEnergyStorage",whichisofgreatintereststobeappliedintowearabledevices.Theproposedresearchworkiswelldesignedandorganizedwithcomprehensivematerialscharacterizationanddeviceevaluation.”

該課題得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃、國家青年基金、江蘇省高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程、材料化學工程國家重點實驗室等基金的資助和支持。