近年来，随着人工智能、物联网、元宇宙等技术的革新，发展多功能、智能化的柔性可穿戴纺织品成为未来社会重要地方向，将应用到国家重大需求的智能芯片、生命健康、军事国防等领域。其中，作为柔性电子设备供电的关键材料，纤维基超级电容器具有轻质、柔性、快充、高容量、长循环寿命、稳定安全等优点，能够满足在弯曲、扭折、拉伸等服役条件下的稳定供能需求。然而，受限于纤维微结构无序、电化学活性低、无机-有机界面耦合差，造成纤维基超级电容器难以获得兼具高能量密度与机械柔性性能，因而成为本领域亟待解决的挑战性课题之一。
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武观研究员团队，在高能量密度与可形变纤维基超级电容器领域取得了系统原创性成果，陆续在Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Fiber Materials重要刊物上发表学术论文，为可穿戴新能源技术与智能纺织品的创新发展与产业化奠定材料基础。
成果1
微流控纺丝一步法制备VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1纤维用于高能量密度超级电容器
该工作以高导电二维MXene和多孔活性共价有机框架COF-LZU1材料为纤维构筑基元，通过微流控纺丝技术一步法原位反应制备出具有垂直结构与高活性的VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1储能纤维材料。设计的VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维表现出较低的H+吸附能垒、快速的离子传输通道、丰富的可及活性位点、良好的界面耦合作用等优点，使得纤维状超级电容器呈现出高能量密度、大比电容、快速充放电与长循环寿命。相关工作以题为“Microfluidic-Assembled Covalent Organic Frameworks@Ti3C2Tx MXene Vertical Fibers for High-Performance Electrochemical Supercapacitors”发表在国际顶尖刊物《Advanced Materials》上。该论文的通讯作者是博彩网站推荐-中国博彩平台排名
武观研究员与南京工业大学暴宁钟教授，第一作者为浙江理工大学博士研究生朱小琳。
文章要点：
❖VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维的构筑。通过调控微通道构型、流体传递与原位反应过程，将二维MXene和COF-LZU1的前驱体在微通道内进行高效组装反应，制备出VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维。基于流体力学计算 (CFD) 模拟微通道内流场和传质状态，研究了微通道内流体传递、膨胀率/剪切率等过程调控二维基元垂直排列与限域反应行为，构筑了具有垂直结构和高活性负载的纤维材料。
❖ VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维的电化学性能。VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1 (30%) 纤维具有垂直通道和大比表面积，有利于提升离子的扩散动力学和可及表面存储，进而提高复合纤维的电化学性能。在1 M H2SO4液态电解质中，其展现出大的容量 (787 F g-1) 和优异的倍率性能。基于分子动力学 (MD) 模拟和第一性原理密度泛函理论 (DFT) 计算结果表明：垂直有序多孔通道降低了H+在VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1纤维层内的扩散能垒 (从-4.18到-4.59 eV)，强化了离子动力学传输速率，实现了离子快速传递和存储过程。
❖ 固态纤维状超级电容器的构筑与可穿戴应用。进一步将VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维组装成全固态非对称型纤维状超级电容器器件 (FASCs)，其呈现出良好的比电容 (398 F g-1)、高能量密度 (27 Wh kg-1)和长循环稳定性。将FASCs进行串并联，实现了电压或电流的成倍提升，满足了实际应用中设备对高工作电压和容量的需求；将封装后的FASCs集成到织物中，能够稳定地为手表、显示器、电动马达等供电；将FASCs与传感器集成，设计出可穿戴能源-传感器件，该器件可实时稳定地监测人体脉搏等生理信号。
图1. VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维的微流控纺丝制备、流体力学计算与形貌图。
图2. VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1纤维电化学性能对比图与储能机理图。
图3. 固态FASCs的电化学性能和实际应用图。
论文链接
//onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307186
成果2
尼龙6纳米纤维膜原位锚定COF@Ti3C2Tx MXene用于可形变超级电容器
该工作以聚多巴胺修饰的尼龙6 (DPA) 纳米纤维膜作为柔性形变基底、以氨基修饰的Ti3C2Tx MXene作为高导电层，以原位生长的共价有机框架 (COF) 作为多孔与氧化还原活性层，制备了COF@N-Ti3C2Tx/DPA柔性电极材料。密度泛函理论和吸附能计算证明，由于界面电荷转移更大、电子迁移更快、表面吸附氢离子能垒更低，COF@N-Ti3C2Tx/DPA在三电极体系中表现出优异的比电容、倍率性能和循环稳定性。构筑的固态可形变超级电容器 (D-SCs) 呈现出高能量密度、大形变供电能力 (弯曲、折叠与拉伸) 和供能多种电子设备。相关工作以题为“Interface-Anchored Covalent Organic Frameworks@Amino-Modified Ti3C2Tx MXene on Nylon 6 Film for High-Performance Deformable Supercapacitors”发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。该论文的通讯作者是博彩网站推荐-中国博彩平台排名
武观研究员与吕汪洋教授，第一作者为浙江理工大学硕士研究生冯梦玥。
文章要点：
❖ 离心静电纺丝制备的尼龙6纳米纤维膜提供了强健的机械性能，使电极材料具有优异的形变能力。多孔的网络结构、丰富的法拉第活性位点和高的电导率赋予了COF@N-Ti3C2Tx/DPA电极材料较大的界面电荷转移、良好的离子扩散动力学和显著的法拉第电容。在三电极体系下，COF@N-Ti3C2Tx/DPA电极呈现出高体积比电容 (1298.3 F cm-3 at 1 A cm-3)、优异的倍率性能 (847.3 F cm-3 at 20 A cm-3) 和良好的循环性能 (20000 cycles)。
❖构筑的固态D-SCs具有高能量密度 (40.5 mWh cm-3) 和大比电容 (595.5 F cm-3)，为LEDs、灯笼、投影仪和智能手表供电。同时，D-SCs在5000次弯曲、2000次50%拉伸和5000次折叠后，分别具有80.7%、80.6%和83.4%的电容保持率，表现出较高的形变稳定供电能力。
❖密度泛函理论计算了COF与Ti3C2Tx界面的电荷密度。Ti3C2Tx的平均静电势 (-5.29eV) 高于COF (1.06eV)，表明了电子在强静电场中从Ti3C2Tx迁移到COF，确保了良好的界面电子传递与COF表面充分的氧化还原反应，获得了较好的倍率性能和法拉电容。此外，H+在COF@N-Ti3C2Tx/DPA表面的吸附能 (-4.71eV) 大于Ti3C2Tx/DPA表面的吸附能 (-4.18eV)，说明了COF在Ti3C2Tx上的锚定有助于加速离子动力学迁移和存储。
图1. COF@N-Ti3C2Tx/DPA柔性电极的设计与储能机理。
图2. 固态D-SCs的电化学性能与应用。
论文链接
//onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202307195
成果3
离心静电纺丝化学构筑石墨烯-聚苯胺分级结构织物用于可拉伸超级电容器
该工作通过设计离心静电纺丝化学和聚苯胺 (PANI) 诱导两步自组装方法，制备了异质结构石墨烯-聚苯胺 (G-PANI) 锚定的聚苯胺修饰聚氨酯 (pcPU) 织物电极 (G-PANI@pcPU) 材料。该电极具有相互连接的多孔骨架、开放的离子迁移/插层通道、高机械柔性 (断裂伸长率：400%) 和大规模制备 (>90 cm2) 优势。在三电极系统中，G-PANI@pcPU表现出超大的面积电容 (5093.7 mF cm-2) 与赝电容可调性能。构筑的可拉伸超级电容器 (S-SCs) 具有高能量密度 (69.2 μWh cm−2)、大比电容 (3113.7 mF cm−2) 和优异的可拉伸循环稳定性 (84.1%)，并实现了在高拉伸 (100%) 形变条件下为电子器件稳定供电的应用。相关工作以“High-Performance Stretchable Supercapacitors Based on Centrifugal Electrospinning-Directed Hetero-structured Graphene–Polyaniline Hierarchical Fabric”为题发表在国产著名期刊Advanced Fiber Materials上。该论文的通讯作者是博彩网站推荐-中国博彩平台排名
武观研究员与吕汪洋教授，第一作者为浙江理工大学博士研究生郑韵。
文章要点：
❖离心静电纺丝化学制备PANI均匀复合聚氨酯纤维织物 (cPU)。在苯胺单体和氧化石墨烯 (GO) 溶液中，cPU中的PANI可诱导更多的苯胺单体在其表面聚合，苯胺单体聚合的同时又能还原GO形成还原氧化石墨烯。经过两步自组装反应制备的G-PANI，能够有效地桥接在cPU纤维表面，形成了高柔性与稳固的复合电极材料。G-PANI@pcPU电极具有大的活性材料负载量 (35 mg cm-2)、高的延伸率、相互交联的3D网络和快速的界面电荷转移，能够促进电解质离子的动力学扩散和嵌入。在三电极体系下，G-PANI@pcPU表现出超高的面积电容 (5093.7 mF cm−2 at 1 mA cm−2 )。
❖ 构建的固态S-SCs表现出高面积能量密度 (69.2 μWh cm−2) 和良好的比电容 (3113.7 mF cm−2)。更重要的是，此S-SCs展现出优异的可拉伸稳定性 (5000次循环，容量保持率84.1%) 和可折叠性能 (5000次循环，容量保持率86.7%)。
❖得益于以上优异的力学和电化学性能，固态S-SCs实现了为LEDs、手表、电风扇和玩具车的稳定供电应用。最重要的是，S-SCs成功获得了在100%应变的条件下为LEDs稳定供电，以及在弯曲变形下为手表提供能量，为未来纤维能源的产业化与智能穿戴供电应用提供了技术参考。
图1. 柔性G-PANI@pcPU电极的制备示意图。
图2. 固态S-SCs的应用。
论文链接
//link.springer.com/article/10.1007/s42765-023-00304-5
上述工作获国家基金面上项目、省基金重大青年原创项目、学校基本科研业务费等项目资助。
课题组简介
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武观研究员团队主要从事多尺度纤维储能材料及器件研究。目前，团队由1名研究员、1名特聘副教授 (满增明)、1名讲师 (张扬)、20余名研究生和本科生组成，成员学术背景涵盖了化工、材料、能源、纺织等领域。研究方向包括：(1) 纤维储能材料：超级电容器、混合离子电容器、锌/锂离子电池; (2) 可穿戴智能器件：电驱动器、离子/电子传感器; (3) 微流控有序组装：石墨烯、MXenes、黑磷、二硫化钼、光子晶体。
导师个人简介
武观，理学博士，研究员/正高，博士生导师。主要从事多尺度纤维储能材料及器件研究。以第一作者和通讯作者在Adv. Mater.、Nature Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Energy Stor. Mater.、Adv. Sci.、Chem. Eng. J. 等期刊发表SCI论文40余篇，论文被引用4700余次，H-index为34 (Google Scholar)。授权国家发明专利8件。主持国家自然科学基金 (面上、青年)，江苏省优秀青年基金等项目。担任国家自然科学基金委、科技部重点研发计划评审专家。担任《Frontiers of Chemical Science & Engineering》、《eScience》、《Adv. Fiber Mater.》青年编委，《化学科学与工程》编委，中国化工学会微化工技术专委会青年委员。担任Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Sci. China Mater.等20余种SCI学术期刊的审稿人。
