研究背景
碳基柔性多功能薄膜，如具有三维网络状多孔结构的碳纳米纤维或碳纳米管薄膜、碳纳米纤维/碳纳米管/石墨烯复合薄膜，以及自支撑的柔性三维多孔碳基结构，展现了广泛的潜在应用前景。这些应用包括为可穿戴电子设备供电的能量转换或存储设备、电磁屏蔽与吸波材料、水修复和传感器等。其中，柔性多孔碳纤维薄膜由于其较高的比表面积和易受控的多孔结构备受关注。柔性多孔碳纤维膜薄膜中孔结构的可控合成是实现上述应用的基础，但其仍面临挑战。
内容简介
近日，河北工业大学材料学院张程伟和王恭凯副研究员报道了一种简单的“石墨烯气泡增强纤维”策略，制备了具有可调孔隙排列的碳基柔性多功能薄膜。通过简单的静电纺丝技术，将具有阴离子空位的少层MoSSe纳米片封装到rGO气泡改性的氮掺杂多孔碳纤维中（MoSSe/rGO−NPCF），并通过改变实验参数，制备了具有不同rGO排列方式（单串、螺旋、网状）的纤维。rGO气泡不仅可以作为孔结构增强碳纤维的功能性，还能有效保证碳纤维的连续性，提高纤维膜的柔性。实验和理论计算证实，均匀排列的rGO气泡和MoSSe的缺陷工程可以有效协同提高MoSSe/rGO−NPCF纤维膜的钾存储性能。以MoSSe/rGO−NPCF纤维膜为负极，以商业活性碳为正极构建的钾离子混合电容器具有优异的电化学性能，器件具有140 Wh kg−1的最高能量密度，16,735 W kg−1的最高功率密度，同时该器件具有优异的循环稳定性（在2 A g−1电流密度下，循环次数超过10000次后电容保持率为94%）。此外基于MoSSe/rGO−NPCF纤维膜良好的柔性，制备的柔性KICs也展现出4.1 mWh cm−3/98.3 mW cm−3的体积能量/功率密度。当其与膨胀石墨耦合时，制备的具有高工作电压的钾基双离子电池在0.1 A g−1的条件下可提供114 mAh g−1的高可逆容量及卓越的循环稳定性（在0.5 A g−1 条件下循环500次后可达到63 mAh g−1）。本研究为柔性储能设备中柔性电极的开发提供了新的视角。此外，本研究制备了一系列具有孔结构排列的纤维膜，可为其它领域（如传感、催化、磁性等）功能材料的开发提供灵感。
相关成果以“Graphene bubble bridging” enabled flexible multifunctional carbon fiber membrane towards K+ storage devices为题发表在了《Advanced Functional Materials》（/10.1002/adfm.202311458）上。河北工业大学博士，台州学院青年教师宋岩为本文第一作者。
图文导读
图1. MoSSe/rGO−NPCF纤维膜制备流程图。
图2. MoSSe/rGO−NPCF薄膜的 (a−c) SEM图和 (d−f) TEM图。(g) MoSS的结构示意图；(h)MoSSe/rGO−NPCF薄膜的SAED图，(i) HAADF及相应的EDS元素分布图。
图3. (a-d) MoSSe/rGO−NPCF(D≈1)，MoSSe/rGO−NPCF(D≈1.5)，MoSSe/rGO−NPCF(D≈2.5)和MoSSe/rGO−NPCF(D≈5)薄膜的SEM图和相应的TEM图；电极材料的 (e) 倍率性能和 (f) 循环性能图。
图4. MoSSe/rGO−NPCF，MoS2/rGO−NPCF和MoSSe/NCF电极在钾离子半电池中的电化学性能：(a) CV曲线；(b) 在0.1 A g−1电流密度下的循环性能图；(c) 倍率性能图；(d) MoSSe/rGO−NPCF电极与文献报道的电极材料倍率性能对比图；(e) GITT曲线和对应的K+扩散系数；(f) 电容贡献图；(g) 长循环性能图。
图5. MoSSe/rGO−NPCF(D≈2.5)电极的储钾机制：(a) GCD曲线；(b) 非原位XRD图谱；(c) C 1s和Mo 3d在不同充放电状态下的高分辨率XPS光谱；(d) MoS2和MoSSe的DOS图；(e) K+在MoS2和MoSSe表面的稳定吸附结构，吸附能和对应的差分电荷密度图；(f) K+在MoS2和MoSSe表面的扩散能垒。
图6. (a) MoSSe/rGO NPCF(D≈2.5)//A−NPCF KICs与文献报道KICs能量−功率密度对比图；(b) KICs循环性能图；(c) 柔性KICs的示意图；(d) 柔性KICs在不同扫速下的CV曲线；(e) 柔性KICs在不同弯曲角度下的GCD曲线；(f) 柔性KICs与文献报道的器件的能量−功率密度对比图；(g) 柔性KIC循环性能图；(h) MoSSe/rGO−NPCF(D≈2.5)//EG KDIBs的倍率性能；（i）KDIBs的循环稳定图。
Yan Song, Yujie Wu, Yutai Wang, Yaduo Jia, Huiyang Gou, Chengwei Zhang, Gongkai Wang, Fuxing Yin, “Graphene Bubble Bridging” Enabled Flexible Multifunctional Carbon Fiber Membrane Toward K+ Storage Devices, Advanced Functional Materials, 2024.
/10.1002/adfm.202311458
作者简介
王恭凯，河北工业大学材料科学与工程学院副研究员，博士生导师，天津市“131”创新型人才培养工程第二层次人才，河北省“三三三人才工程”第三层次人才。长期致力于储能新材料的先进制备以及在高比能、高功率、多功能电化学储能器件（二次电池、超级电容器）领域的应用和基础研究；承担多项国家级、省部级项目；共发表SCI收录论文70余篇（包括Science、Acta Materialia、Advanced Functional Materials、Nano Energy、Energy Storage Materials等），引用次数超过3800次，其中7篇文章引用次数超过100，个人H因子为33，获得授权发明专利6项；2022年至今任Rare Metals青年编委。
张程伟，研究员，博士生导师，河北工业大学“元光学者”。2014年毕业于北京化工大学，同年9月进入河北工业大学工作，主要开展基于胶体晶体的多级孔道纳米材料的制备及其在新能源方向应用的研究工作，先后获得国家及省部级项目的支持。以第一/通讯作者身份在Advanced Functional Materials、ACS Catalysis、Nano−Micro Letters、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Power Sources、Carbon等学术期刊发表SCI论文40余篇。
