南工AEM：面向石墨烯烯碳纤维基超级电容器的微流控纺丝化学策略
鉴于人工智能和低空经济的快速发展，小型化储能系统的开发日益重要。石墨烯烯碳纤维（GCF）超级电容器具有经济环保、轻质、机械性能好、充放电速度快等优点，成为一种有前景的电力存储方式，尤其在柔性可穿戴电子纺织品和便携式电子产品领域。然而，由于高度取向的石墨烯片层之间固有的π-π堆积吸引力、范德华力和疏水性，它们会发生团聚，导致离子传输能力不佳。此外，超级电容器有限的工作电压窗口和相对较低的能量密度阻碍了它们的大规模实际应用。因此，人们尝试在GCF上构建蓬松褶皱或多孔结构，并通过水热法、电沉积法、溶胶-凝胶法、涂层沉积法、芯片上书写法、浇铸法、湿纺法和干纺法等在GCF中分散电化学活性材料以提高电学性能。然而，实现电化学活性物质在GCF中的均匀混合依然是一个难题。因此，开发先进的电化学活性物质/GCF杂化材料微流控纺丝化学合成技术，实现杂化材料均匀混合，提高GCF的能量密度并实现连续生产，同时又不降低GCF的力学性能，已引起学者关注。针对上述问题，南京工业大学化工学院、材料化学工程全国重点实验室陈苏教授、朱亮亮教授等提出了一种创新的微流控纺丝化学（MSC）方法，用于原位构建钼酸镍/多孔石墨烯烯碳纤维（NiMoO4/PGCF）复合材料（图1, 图2, 图3）。MSC方法的特点在于，通过调节微通道中的超声作用、混合组分的比例、流速、流型以及微通道中的热自组装过程，促使Ni2+和Mo7O246−均匀混合并反应生成具有显著法拉第活性的NiMoO4，并使NiMoO4在每片氧化石墨烯（GO）上均匀有序生长。在之后的高温退火（900 oC）条件下，使尿素分解，得到均匀多孔的PGCF结构。NiMoO4与PGCF纳米片之间的协同相互作用赋予了NiMoO4/PGCF复合材料独特的结构和卓越的电化学性能，包括相互连接的多孔网络、优异的循环稳定性和良好的导电性（图4, 图5）。NiMoO4/PGCF复合材料的比表面积（SSA）为433.77 m2 g-1，机械强度为232 MPa，电导率 7698 S m-1，在三电极体系中的面积比电容为3597.7 mF cm-2，比容量为1006.8 mF cm-2（全固态柔性超级电容器），能量密度为 218.5 μWh cm-2，在 1 mA cm-2的电流密度下经过20000次循环后电容保持率为90.2%。基于其优异的性能，本研究设计了一个芯片式超级电容器装置用于驱动风车旋转（图6a, b）。此外，还设计了一个以三极管为开关控制器的集成电路，耦合固态NiMoO4/PGCF超级电容器，进一步验证其应用潜力。该超级电容控制系统被安装在滑翔式无人机（长38厘米，宽30厘米）上以实现起飞控制，系统实物照片与示意图清晰展示了NiMoO4/PGCF超级电容器的连接位置及方式（图6c-e）。如图6f所示，超级电容器正负极分别连接三极管的基极和发射极，正极与基极间串联可变电阻（R），通过调节阻值确保超级电容有效驱动三极管导通。当超级电容器充电电压超过0.7 V时，触发三极管导通并放大电路电流，驱动电机高速旋转，使滑翔无人机在2.5秒内完成滑跑起飞（图6g, h）。随着超级电容电压从0.9 V升至1.2 V，无人机最大攀升高度呈现非线性增长，从地面（0厘米）依次提升至45厘米直至130厘米。反之，当超级电容电压低于0.7V时，三极管进入截止状态，无人机依靠气动特性自主降落。该开关控制器通过NiMoO4/PGCF超级电容器与三极管的协同效应，以极简硬件实现了滑翔无人机的高效启停控制，在成本、可靠性和安全性方面展现出显著优势。其意义不仅在于技术简化，更开拓了滑翔无人机在极端场景（如GPS拒止环境下的安全冗余）应用的新可能，同时为能源管理与控制系统设计提供了创新思路。这些成果凸显了超级电容器在智能电子设备和低空经济等实际应用中的重要潜力。该研究成果于近日发表在国际重要刊物《Advanced Energy Materials》（DOI：10.1002/aenm.202501418）上。标题为：“Microfluidic-spinning-chemistry strategy toward in-situ generation of high-performance nickel molybdate/porous graphene carbonene fiber-based supercapacitors”。南京工业大学化工学院、材料化学工程全国重点实验室陈苏教授与朱亮亮教授为共同通讯。南京工业大学博士后郭佳壮为第一作者。该课题得到了国家重点研发计划、国家资助博士后研究计划、江苏省高校优势学科建设工程等基金的资助和支持。图 1.微流控旋转湿法纺丝机：可实现微流控纺丝化学、旋转纺丝和湿法纺丝（南京捷纳思新材料有限公司生产）图 2. NiMoO4/PGC的合成与应用示意图：(a) MSC法制备NiMoO4/PGCF的合成示意图；(b) NiMoO4/PGCF超级电容器驱动玩具风车的示意图；(c) NiMoO4/PGCF超级电容器控制滑翔无人机起飞的示意图。图 3.NiMoO4/PGCF的表面SEM图像：(a) 低倍率及(b-d)高倍率图像；(e) NiMoO4/PGCF的截面SEM图像；(f) NiMoO4/PGCF的元素分布图；(g) NiMoO4/PGCF的高分辨率XPS谱：Ni 2p；(h) NiMoO4/PGCF的高分辨率XPS谱：Mo 3d；(i) NiMoO4/PGCF、NiMoO4和GCF的XRD图谱；(j) GCF和NiMoO4/PGCF的拉曼光谱；(k) GCF和NiMoO4/PGCF的孔径分布曲线及对应N2吸附-脱附等温线；(l) NiMoO4/PGCF的应力-应变曲线。插图：纤维可提起210 g重物并呈现22.7 Ω的电阻。图4.采用3 M KOH电解液的三电极体系电化学性能测试结果：(a) GCF与NiMoO4/PGCF在50 mV s-1扫描速率下的CV曲线；(b) 阳极峰和阴极峰的log(扫描速率)-log(峰值电流)关系图；(c) NiMoO4/PGCF在不同扫描速率下电容贡献与扩散贡献的百分比；(d) GCF与NiMoO4/PGCF在1 mA cm-2电流密度下的GCD曲线；(e) GCF与NiMoO4/PGCF在不同电流密度下的面积比电容；(f) GCF与NiMoO4/PGCF的EIS测试结果；(g) GCF与NiMoO4/PGCF储能机理示意图。图5.柔性固态NiMoO4/PGCF超级电容器的电化学性能：(a) NiMoO4/PGCF与GCF超级电容器在10 mV s-1扫描速率下的CV曲线；(b) NiMoO4/PGCF与GCF超级电容器在1 mA cm-2电流密度下的GCD曲线；(c) 不同电流密度下NiMoO4/PGCF与GCF超级电容器的比面积电容；(d) 工作电压对NiMoO4/PGCF超级电容器的影响（扫描速率：100 mV s-1）；(e) NiMoO4/PGCF超级电容器的循环稳定性（左：1 mA cm-2电流密度下的长期循环稳定性；右：不同电流密度下的循环稳定性）；(f) NiMoO4/PGCF超级电容器的功率密度与能量密度（与文献报道的其他超级电容器对比）；(g) 不同弯曲角度下的稳定性测试（插图：NiMoO4/PGCF超级电容器在不同弯曲角度下的实物照片）；(h) 0-20小时连续工作稳定性（插图：100 mV s-1扫描速率下的CV曲线）；(i) 不同温度条件下的电容保持率与电容值（插图：1 mA cm-2电流密度下的GCD曲线）。图6.(a) 自供电系统工作原理示意图；(b) 芯片型超级电容器驱动玩具风车的实物照片；(c) 滑翔无人机整体照片（机长：38 cm，翼展：30 cm）；(d) 滑翔无人机控制中心实物照片；(e) NiMoO4/PGCF超级电容器作为滑翔无人机控制器的结构示意图；(f) NiMoO4/PGCF超级电容器作为三极管开关控制器的电路原理图；(g) 滑翔无人机飞行状态实拍图；(h) 在不同NiMoO4/PGCF超级电容器工作电压（0.9 V，1.1 V，1.2 V）下滑翔无人机飞行高度随时间的变化关系。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！