1成果简介

在可穿戴设备和电子皮肤中，轻质弹性碳材料因其压力传感和储能功能而备受关注。本文，上海工程技术大学辛斌杰 教授团队在《ACS Appl. Nano Mater.》期刊发表名为“Sponge-Inspired Super-Lightweight Porous Carbon Nanohybrid Fiber Aerogels: Implications for High-Performance Electrodes”的论文，研究提出了一种利用碳纳米纤维（CNF）、硼酸和尿素成分，通过静电纺丝和高温碳化工艺制造三维弹性碳纳米纤维海绵的方法。此外，碳气凝胶在更大的工作范围内具有出色的可恢复性和可变形性。将这种材料融入超级电容器的工作环境中，其出色的电化学性能和机械灵活性令人印象深刻。

开发具有定制机械性能的高弹性和超亲水性碳气凝胶对于实现高压缩超级电容器和应变传感器至关重要。碳材料的轻质和弹性为用于无缝人体健康监测和人机交互的可穿戴压力传感器带来了希望。对三维可拉伸超级电容器的追求解决了面积到面积电容的限制以及与三维可穿戴设备的兼容性问题。高性能电极材料（如三维碳纳米材料）的设计对于推动电化学储能设备的发展以及为能源危机和环境污染提供解决方案至关重要。

2图文导读

图1. (a) 碳纳米纤维海绵图示。(b-d) 碳纳米纤维海绵柔韧性展示。碳纳米纤维海绵的扫描电镜图：(e) PANNB-5；(f) PANNB-10；(g) PANNB-15；(h) PANNB-20；(i) PANNB-25。(j) 纤维直径分布图。

图2：(a) PANNB-5、PANNB-10、PANNB-15、PANNB-20 和 PANNB-25 的 TG 和 (b) DSC 曲线[插图 (a)，280-350°C 时放大的 TG 详情]。(c) 碳纳米纤维海绵的 XRD 图。

图3. (a) PANNB-15 碳纳米纤维海绵的 XPS 表征。(b) 不同原子含量百分比的碳纳米纤维海绵。(c) PANNB-15 的润湿性能。

图4. (a) 碳纳米纤维海绵电极的三电极 CV 电化学性能测试和 (b) 不同扫描速率下 PANN-15 的测试结果；(c, d) 碳纳米纤维海绵电极的三电极 EIS 电化学性能测试。

图5：（a、c、e）1、2 和 3 毫米样品在扫描速率分别为 10、20 和 50 mV/s 时的 CV 曲线；（b、d、f）1、2 和 3 毫米样品在电流密度分别为 1、2 和 3 A/g 时的 GCD 曲线。(g）1、2 和 3 毫米样品的比电容曲线。

图6：双电极测试系统下 PANNB-15 电极的 (a) CV、(b) GCD、(c) 比电容值以及 (d) 功率密度和能量密度。

3小结

综上所述，本研究采用静电纺丝技术和高温碳化方法，在聚丙烯腈纺丝溶液中加入不同质量的硼酸，制备了硼氮双掺杂碳纳米纤维海绵。静电纺丝法一步成功制备了硼氮双掺杂碳纳米纤维海绵。该研究通过对碳纳米纤维结构进行系统化设计，并在由聚丙烯腈、尿素和硼酸组成的纺丝浆料中引入硼酸，成功制备出具有有序分层结构的柔性碳纤维海绵。这种稳定的三维网络结构的建立归功于柔性碳纳米纤维缠结互连所产生的网络内部热变形的减少。

碳纳米杂化纤维气凝胶具有许多优点，在用作超级电容器的电极时，可展现出非凡的电化学特性。研究强调，硼和氮双掺杂碳纳米纤维海绵在 0.25 A g-1 的条件下显示出高达 165 F g-1 的比电容值，同时具有显著的循环能力，1000 次循环后电容保持率为 90.6%，这表明了所制造海绵的优越性。然而，与现有的电化学材料相比，独立式柔性固态电容器（SSC）的电化学性能显著，证明了其在带状化学领域的可行性。最后，硼和氮双掺杂碳纳米纤维海绵表现出出色的电化学性能、显著的机械柔韧性和优异的润湿性，使其成为高性能储能设备的理想候选材料。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsanm.3c03867

来源：材料分析与应用