Adv. Mater.： 通过3D石墨烯/纳米结构导电聚合物水凝胶实现可拉伸全凝胶态纤维状超级电容器

【引言】

近来人们对导电聚合物水凝胶（CPHs）的关注日益密切，这是因为其特殊的三维网络纳米结构和良好的导电性，使其成为极具潜力的材料载体，可用于储能、催化、传感器和药物传输等领域。但是，将导电聚合物水凝胶用于具有一定机械强度的轻型柔性器件，如平面型电极，仍然具有很大的挑战性。为解决这一问题，一个较好的方案是加入氧化石墨烯来增强导电聚合物水凝胶的机械性能。

【成果简介】

近日，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授和四川大学肖丹教授（共同通讯）的研究团队在Adv. Mater.发表了一篇题为“Stretchable All-Gel-State Fiber-Shaped Supercapacitors Enabled by Macromolecularly Interconnected 3D Graphene/Nanostructured Conductive Polymer Hydrogels”的文章。在这篇文章中，他们报告了由GO和CPHs自组装而成的、具有大分子相互连接的3D石墨烯/纳米结构导电聚合物水凝胶。所制备的3D PANI/ RGO杂化水凝胶，由于聚苯胺（PANI）和石墨烯之间具有很强的分子间相互作用力，展现出均匀的互连性和优异的机械性能，从而有效地减少了成型及还原过程中的团聚。基于PANI / RGO纤维和聚乙烯醇（PVA）/ H₂SO₄凝胶电解质的全水凝胶状超级电容器具有出色的柔韧性、可塑性以及优异的电化学性能，且可以实现高达约40％的应变，提供8.80mWh·cm^-3的体积能量密度（功率密度为30.77mW·cm^-3），优于之前报道的许多纤维状超级电容器。

【图文导读】

图一 基于自组装方法制备PANI/GO混合水凝胶的示意图

图二 PANI/RGO纤维和RGO纤维的形态

a, b, c）PANI/RGO纤维的SEM图像；

d, e）RGO纤维的SEM图像；

f）PANI/RGO纤维的EDS图像。

图三 结构表征

a）PANI/RGO, RGO和PANI的拉曼光谱；

b）PANI / RGO和PANI的XPS N 1s光谱；

c）PANI / RGO的XPS C 1s光谱;

d）PANI, PA和RGO之间的相互作用示意图：黑色-RGO，绿色-PANI链，银白色-PA分子，紫色-含氧基团;

e）RGO，PANI / RGO和PANI纤维的应变-应力曲线。

图四 电化学性能测试

a）10mV s^-1时，RGO、PANI / RGO和PANI的CV曲线;

b, c, d）组装对称全电池的CV曲线，GCD曲线以及相应的倍率性能；

e）电流密度为1.26 A g^-1时，全电池的电化学稳定性;

f）Ragone图：PANI/RGO全凝胶状全电池与之前报道的其他纤维状超级电容器相比较（根据两个电极的总体积和质量来计算比电容，能量和功率密度，而不考虑电解质）。

图五 实际应用

a）组装的全水凝胶状电池在正常，弯曲和扭曲状态下的CV曲线;

b, c）弹簧状全电池的弹性；

d）全电池串联后的GCD曲线；

e）在正常和弯曲状态下（比例尺为2厘米），为两个LED灯供电的柔性电池示意图。

【小结】

该团队通过GO和PANI水凝胶的大分子自组装制备了纤维状水凝胶电极，与RGO纤维相比，其表现出更大的比电容和更强的机械性能。具体而言，PANI / GO杂化水凝胶中GO、PANI和PA之间存在很强的分子间相互作用，包括静电相互作用，氢键效应和π-π堆叠，这对减少后续还原过程中的明显聚集是有建设性作用的。随着PVA基电解质的进一步凝胶化，开发了全凝胶态超级电容器，其不仅有极大的体积能量密度，还显示出优异的机械灵活性和耐用性，可以制成储能纱线，是为下一代可穿戴和便携式电子设备提供动力的有力候选人。

文献链接：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）

相关文献推荐：

"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).

【通讯作者简介】

UT Austin余桂华教授研究团队开创并长期致力于三维纳米结构的导电水凝胶多功能材料的研究，在国际知名期刊上发表过许多相关工作，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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