近日，大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院廖永平博士與阿爾托大學(xué)Esko I. Kauppinen教授等合作在柔性微型超級(jí)電容器的構(gòu)筑和儲(chǔ)能機(jī)制取得新進(jìn)展。該工作使用浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積法(FCCVD)直接生長(zhǎng)氮摻雜單壁碳納米管 (N-SWCNTs)，并通過(guò)氣相抽濾同步構(gòu)筑了微型電極。該方法制備微型電極無(wú)需使用分散劑，無(wú)需考慮流變性，為柔性微型超級(jí)電容器的制備提供了一種簡(jiǎn)便快捷的策略，并揭示了氮摻雜對(duì)電容性能提升的機(jī)制。
便攜式可穿戴電子設(shè)備近年來(lái)得到了飛速發(fā)展。同時(shí)，對(duì)電子設(shè)備的儲(chǔ)能裝置提出了新的需求。微型超級(jí)電容器（Micro-Supercapacitors，MSCs），由于其具有較高的功率密度加上輕薄與柔性特征，能夠更好地滿(mǎn)足便攜式電子設(shè)備的供能需求。然而，當(dāng)前制備MSCs電極主要是基于濕法技術(shù)，濕法技術(shù)通常需要多個(gè)步驟，包括制備活性粉體材料→將粉體分散成漿料/油墨→采用（3D）打印/絲印/噴涂/激光刻蝕等方法制備微型電極等步驟。這些繁瑣和耗時(shí)的過(guò)程可能會(huì)改變材料微觀結(jié)構(gòu)和影響器件的大規(guī)模集成。因此，開(kāi)發(fā)一種無(wú)溶劑加工和可擴(kuò)展的高性能MSCs的方法仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
本工作基于FCCVD方法，使用乙腈作為碳源和氮源一步生長(zhǎng)出氣溶膠形式的N-SWCNTs，然后通過(guò)圖案化濾膜直接沉積為MSC微電極。此外，可以將收集到的MSC微電極轉(zhuǎn)移至不同基底，且具有可擴(kuò)展和可任意定制不同圖案的潛力。基于N-SWCNT器件表現(xiàn)出比未摻氮的具有更高的電容性能，且比電容隨著氮含量的升高而升高。此外，基于干法構(gòu)筑的N-SWCNT微型超電具有卓越的機(jī)械柔性，出色的比電容（3.6 mF cm-2和98.6 F cm-3@5 mV s-1），優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（在125,000次充放電循環(huán)后，電容保持率高達(dá)97.4%）。通過(guò)理論模擬，進(jìn)一步揭示了氮摻雜碳納米管對(duì)雙電層電容和量子電容的提升。
相關(guān)研究成果以“Floating Catalyst Chemical Vapor Deposition Patterning Nitrogen-Doped Single-Walled Carbon Nanotubes for Shape Tailorable and Flexible Micro-Supercapacitors”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》（2022年影響因子為 19.924，JCR分區(qū)Q1）上。第一作者為大連工業(yè)大學(xué)2020級(jí)碩士研究生董浩浩和大連化物所博士后張良柱。通訊作者是大連工業(yè)大學(xué)廖永平博士和阿爾托大學(xué)Esko I. Kauppinen教授。該工作得到了大連工業(yè)大學(xué)科研啟動(dòng)資金、遼寧省科技廳項(xiàng)目的支持。
廖永平，男，1989年11月出生，大連工業(yè)大學(xué)講師，碩士生導(dǎo)師。2008年9月至2015年6月于黑龍江大學(xué)獲本科和碩士學(xué)位，2019年10月于芬蘭阿爾托大學(xué)獲博士學(xué)位。2020年1月入職大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，研究領(lǐng)域?yàn)樘蓟嵝噪娮雍椭悄芗徔椘罚缘谝蛔髡呋蛲ㄓ嵶髡咴贘ACS、ACS Nano、AFM等知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文15篇。以指導(dǎo)教師身份指導(dǎo)學(xué)生獲遼寧省綠色染整競(jìng)賽一等獎(jiǎng)、遼寧省挑戰(zhàn)杯銀獎(jiǎng)等。
原文鏈接：http://t.dlpu.edu.cn/348170ef43c2a0dacaca9a955a8503e4
文圖/廖永平 審稿人/史非、黃寒冰