当今，可穿戴电子器件以其轻质柔韧、可弯曲折叠、智能高效、多功能集成等优点，受到世界科研工作者们广泛的研究。然而，构筑具有高柔性、可编织、体积小、大能量储存的能源材料为可穿戴器件供能，成为该领域关键性的挑战。在众多储能材料中，一维线性结构的柔性纤维状微型超级电容器（Micro-supercapacitor, micro-SCs）是最具潜力实现为柔性穿戴器件供能的选择。然而，由于目前制备的导电纤维材料难以获得成分均一、大比表面积、均匀有序多孔网络结构，造成内部离子传输速度慢和嵌入累积量少，使得宏观器件电荷存储少和能量密度低。因而，如何设计纤维电极材料和微观结构，促进离子快速输运和累积，从而实现器件高电荷存储和大能量密度输出等性能，成为国际上能源领域挑战性的研究课题。
针对上述问题，
南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、化工学院
陈苏教授
和
武观讲师
在国家自然科学基金的资助下，
从设计材料微观分级多孔结构入手，利用微流控均匀成丝、大面积制备纤维为导向，通过介质在微反应系统中液-液界面自组装及分子功能化掺杂成孔为手段，构筑具有大能量密度输出、规模化编织和柔性穿戴应用前景的氮掺杂多孔石墨烯纤维（Microfluidic-directed nitrogen-doped graphene fiber, N-doped MGFs）超级电容器
。该研究成果于近日被国际材料领域的顶级刊物《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）接收（High-Performance Wearable Micro-Supercapacitors Based on Microfluidic-Directed Nitrogen-Doped Graphene Fiber Electrodes,Guan Wu, Pengfeng Tan, Xingjiang Wu, Lu Peng, Hengyang Cheng, Cai-Feng Wang, Wei Chen, Ziyi Yu and Su Chen*,DOI: 10.1002/adfm.201702493）。
该研究成果利用国内捷纳思微流体纺丝机制备氮掺杂多孔石墨烯纤维电极。如图1所示，利用氧化石墨烯（GO）和尿素在微通道内均匀组装反应，程控热解，实现氮的可控掺杂和孔结构的分级调控（图2）。
该方法制备不仅可以大规模生产纤维，还赋予其较高的柔性和可编织性
。
通过实验调控，我们实现石墨烯纤维中氮原子总量在1.71 %~7.4 %的可控掺杂，获得吡啶氮掺杂量为2.44 %时，纤维表现出较为均一的孔结构（平均孔径3.2 nm）、大比表面积（388.6 m
2
g
-1
）、高的导电性（30,785 S m
-1
）和拉伸强度（286 MPa）
。构筑的纤维状电容器在两种全固态电解质中都表现出优异的电化学储能性能：基于低电化学窗口（0~0.8 V）的固态酸性电解质（H
3
PO
4
/PVA）（图3），如超大的比电容（1132 mF cm
-2
）、高的循环稳定性（10,000）和长期弯曲耐久性；基于高电化学窗口（0~3 V）的有机离子液体电解质（EMIBF
4
/PVDF-HFP）（图4），如极高的能量密度（95.7~46.9 μWh cm
-2
）和功率密度（1.5~15 W cm
-2
）。该工作报道的电容、功率和能量密度值均创报道新高。基于以上优异的电学、力学、电化学等性能，我们将纤维状电容器通过串并联的方式，集成到柔性基底和织物中，成功的实现为LEDs、音响、背光源、单色和彩色显示器等视听电子器件供能的应用（图5）。
图文导读
图1 N-dopedMGFs的制备及其应用示意图
a) 氮掺杂石墨烯机理示意图；b)微流体纺丝制备N-doped MGFs及微电容器构筑示意图；c) N-doped MGFs可实现连续大规模生产；d)将纤维集成在织物或编织成网格，表现出高的柔性和可织性；e)微电容器串并联为电子供能示意图。
图2 N-doped MGFs的形貌、结构和成分表征
a)-e)N-doped MGFs断面和表面的低倍和高倍SEM照片； f)-i) 纯MGFs断面和表面的低倍和高倍SEM照片；j)纤维电极材料孔结构表征；N-dopedMGFs材料的XPS表征，k)氮特征峰，l）碳特征峰。
图3 基于低电化学窗口（0~0.8 V）全固态酸性电解质（H3PO4/PVA）的电化学性能
a) 纤维电容器在扫描速度为2 mV s
-1
下的CV曲线；b)电流密度为0.1 mA cm
-2
时的充放电曲线；c)不同电流密度下的比电容曲线；d)纤维电容器的奈奎斯特交流阻抗曲线；e)微电容器循环性能曲线，插图为1 mA cm
-2
电流密度下充放电曲线；f) N-doped MGFs电容器的长期弯曲耐久性，插图为弯曲不同角度的充放电曲线和实物照片。
图4 基于高电化学窗口（0~3 V）全固态有机离子液体电解质（EMIBF
4
/PVDF-HFP）的电化学性能
a) N-doped MGFs电容器在不同扫描速度下的CV曲线；b) N-doped MGFs在不同电流密度下的充放电曲线；c) N-dopedMGFs在不同电流密度下的比电容曲线；d) N-doped MGFs电容器与其他碳基纤维电容器的能量密度和功率密度对比。
图5 N-doped MGFs电容器为视听电子供能的应用
