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家蚕国重代方银团队在高性能蚕丝织物电极研究中取得重要进展

近日,碳材料领域知名期刊Carbon(工程技术类一区,IF2020=9.594)在线发表西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室代方银教授团队题为“Low cost, green and effective preparation ofmultifunctional flexible silk fabric electrode with ultra-high capacitanceretention”(低成本绿色高效制备超高电容保持率多功能柔性丝织物电极)的研究论文。

柔性可穿戴式储能装置不仅要求高电化学性能,还应具备轻量、透气、灵活、适合人体的特点,可集成到不同的可穿戴系统中。迄今为止,制备具有良好电化学性能和良好力学性能的柔性电极仍然是一个挑战。尽管制备石墨烯基纺织品的方法多种多样,如真空过滤、直接浸涂、喷墨印刷、丝网印刷、化学气相沉积、刷涂等,但这些方法都将氧化石墨烯直接与织物结合来制备还原氧化石墨烯(RGO)织物,导致导电率低。同时,这些制备方法也存在活性物质易脱落、设备成本高、制备工艺复杂等问题。因此,研究人员往往使用交联剂(牛血清白蛋白、聚多巴胺和其他交联剂)在织物上结合氧化石墨烯以提高导电性,这又导致成本的增加和环境的污染,所制备的RGO织物的导电性也有待提高。同时,使用非活性物质作为交联剂也会导致离子扩散速度变慢、接触电阻变大、材料寿命变短等。因此,迫切需要一种低成本、环保且有效的方法来制备用于可穿戴应用的高性能 RGO 织物电极。

由于比表面积有限、表面基团少以及与活性材料的相互作用弱,柔性基板通常具有低负载效率和较差的电极循环性能。充分利用基材的物理化学结构,对提高织物电极的性能具有重要意义。与其他纺织品不同,丝绸表面富含官能团(羧基、氨基、羟基等),可以更好地与活性物质结合。此外,其层状互连结构提供了良好的可扩展性和3D框架的可能性,并且可以为活性材料的负载提供大的表面积。三元溶剂是CaCl2、C2H5OH和H2O的混合溶液(摩尔比1:2:8),常用于溶解蚕丝制备再生丝素蛋白。由此,在可控条件下使用三元溶剂对丝绸织物进行预处理,可以增加织物的比表面积并最终增加活性材料的负载。

基于上述问题和分析,西南大学代方银教授团队研究人员将蚕丝织物用三元溶剂预处理,然后采用超声辅助循环干燥法直接制备了具有柔性超级电容器和传感器应用潜力的低成本、环保型、高性能还原氧化石墨烯丝织物电极(RGO-蚕丝织物)。

 

引人瞩目的是,所制备的RGO蚕丝织物电极在10000次充放电循环后仍具有148%的超高电容保持率和良好的电化学性能。同时,RGO蚕丝织物电极不仅具有形变响应和优异的抗紫外线性能(UPF=2182.63)。在2000次弯曲折叠下性能几乎保持不变,具有优异的柔韧性,可以作为监测人体行动的传感器。

该研究为制备高性能的柔性蚕丝织物电极提供了一种低成本、环保、可扩展的途径,所制电极在可穿戴电子产品领域具有较大的应用潜力。

西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室为论文第一署名单位,蚕桑纺织与生物质科学学院纤维材料与工程专业2018级硕士研究生蔡海华为本文第一作者,纺织科学与工程专业2021级硕士研究生汪宇佳为本文共同第一作者,代方银教授为论文最后通讯作者,李智副教授为论文共同通讯作者。该项研究由国家自然科学基金和现代农业产业技术体系经费资助。

论文在线后随即引起关注,腾讯网以“148%的电容保持率,抗紫外线性能提高67倍 | 低成本、绿色、高效制备多功能柔性RGO丝织物电极”为题进行了详细报道(https://new.qq.com/omn/20211214/20211214A014AE00.html)。 

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