近日，大連工業(yè)大學紡織與材料工程學院廖永平博士與阿爾托大學Esko I. Kauppinen教授等合作在柔性微型超級電容器的構筑和儲能機制取得新進展。該工作使用浮動催化化學氣相沉積法(FCCVD)直接生長氮摻雜單壁碳納米管 (N-SWCNTs)，并通過氣相抽濾同步構筑了微型電極。該方法制備微型電極無需使用分散劑，無需考慮流變性，為柔性微型超級電容器的制備提供了一種簡便快捷的策略，并揭示了氮摻雜對電容性能提升的機制。
便攜式可穿戴電子設備近年來得到了飛速發(fā)展。同時，對電子設備的儲能裝置提出了新的需求。微型超級電容器（Micro-Supercapacitors，MSCs），由于其具有較高的功率密度加上輕薄與柔性特征，能夠更好地滿足便攜式電子設備的供能需求。然而，當前制備MSCs電極主要是基于濕法技術，濕法技術通常需要多個步驟，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。這些繁瑣和耗時的過程可能會改變材料微觀結構和影響器件的大規(guī)模集成。因此，開發(fā)一種無溶劑加工和可擴展的高性能MSCs的方法仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
本工作基于FCCVD方法，使用乙腈作為碳源和氮源一步生長出氣溶膠形式的N-SWCNTs，然后通過圖案化濾膜直接沉積為MSC微電極。此外，可以將收集到的MSC微電極轉移至不同基底，且具有可擴展和可任意定制不同圖案的潛力�；贜-SWCNT器件表現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，基于干法構筑的N-SWCNT微型超電具有卓越的機械柔性，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97.4%）。通過理論模擬，進一步揭示了氮摻雜碳納米管對雙電層電容和量子電容的提升。
相關研究成果以“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2020級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)大學廖永平博士和阿爾托大學Esko I. Kauppinen教授。該工作得到了大連工業(yè)大學科研啟動資金、遼寧省科技廳項目的支持。
廖永平，男，1989年11月出生，大連工業(yè)大學講師，碩士生導師。2008年9月至2015年6月于黑龍江大學獲本科和碩士學位，2019年10月于芬蘭阿爾托大學獲博士學位。2020年1月入職大連工業(yè)大學紡織與材料工程學院，研究領域為碳基柔性電子和智能紡織品，以第一作者或通訊作者在JACS、ACS Nano、AFM等知名學術期刊發(fā)表論文15篇。以指導教師身份指導學生獲遼寧省綠色染整競賽一等獎、遼寧省挑戰(zhàn)杯銀獎等。
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文圖/廖永平 審稿人/史非、黃寒冰