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    家蠶國重代方銀團隊在高性能蠶絲織物電極研究中取得重要進展

    近日,碳材料領域知名期刊Carbon(工程技術類一區,IF2020=9.594)在線發表西南大學家蠶基因組生物學國家重點實驗室代方銀教授團隊題為“Low cost, green and effective preparation ofmultifunctional flexible silk fabric electrode with ultra-high capacitanceretention”(低成本綠色高效制備超高電容保持率多功能柔性絲織物電極)的研究論文。

    柔性可穿戴式儲能裝置不僅要求高電化學性能,還應具備輕量、透氣、靈活、適合人體的特點,可集成到不同的可穿戴系統中。迄今為止,制備具有良好電化學性能和良好力學性能的柔性電極仍然是一個挑戰。盡管制備石墨烯基紡織品的方法多種多樣,如真空過濾、直接浸涂、噴墨印刷、絲網印刷、化學氣相沉積、刷涂等,但這些方法都將氧化石墨烯直接與織物結合來制備還原氧化石墨烯(RGO)織物,導致導電率低。同時,這些制備方法也存在活性物質易脫落、設備成本高、制備工藝復雜等問題。因此,研究人員往往使用交聯劑(牛血清白蛋白、聚多巴胺和其他交聯劑)在織物上結合氧化石墨烯以提高導電性,這又導致成本的增加和環境的污染,所制備的RGO織物的導電性也有待提高。同時,使用非活性物質作為交聯劑也會導致離子擴散速度變慢、接觸電阻變大、材料壽命變短等。因此,迫切需要一種低成本、環保且有效的方法來制備用于可穿戴應用的高性能 RGO 織物電極。

    由于比表面積有限、表面基團少以及與活性材料的相互作用弱,柔性基板通常具有低負載效率和較差的電極循環性能。充分利用基材的物理化學結構,對提高織物電極的性能具有重要意義。與其他紡織品不同,絲綢表面富含官能團(羧基、氨基、羥基等),可以更好地與活性物質結合。此外,其層狀互連結構提供了良好的可擴展性和3D框架的可能性,并且可以為活性材料的負載提供大的表面積。三元溶劑是CaCl2、C2H5OH和H2O的混合溶液(摩爾比1:2:8),常用于溶解蠶絲制備再生絲素蛋白。由此,在可控條件下使用三元溶劑對絲綢織物進行預處理,可以增加織物的比表面積并最終增加活性材料的負載。

    基于上述問題和分析,西南大學代方銀教授團隊研究人員將蠶絲織物用三元溶劑預處理,然后采用超聲輔助循環干燥法直接制備了具有柔性超級電容器和傳感器應用潛力的低成本、環保型、高性能還原氧化石墨烯絲織物電極(RGO-蠶絲織物)。

     

    引人矚目的是,所制備的RGO蠶絲織物電極在10000次充放電循環后仍具有148%的超高電容保持率和良好的電化學性能。同時,RGO蠶絲織物電極不僅具有形變響應和優異的抗紫外線性能(UPF=2182.63)。在2000次彎曲折疊下性能幾乎保持不變,具有優異的柔韌性,可以作為監測人體行動的傳感器。

    該研究為制備高性能的柔性蠶絲織物電極提供了一種低成本、環保、可擴展的途徑,所制電極在可穿戴電子產品領域具有較大的應用潛力。

    西南大學家蠶基因組生物學國家重點實驗室為論文第一署名單位,蠶桑紡織與生物質科學學院纖維材料與工程專業2018級碩士研究生蔡海華為本文第一作者,紡織科學與工程專業2021級碩士研究生汪宇佳為本文共同第一作者,代方銀教授為論文最后通訊作者,李智副教授為論文共同通訊作者。該項研究由國家自然科學基金和現代農業產業技術體系經費資助。

    論文在線后隨即引起關注,騰訊網以“148%的電容保持率,抗紫外線性能提高67倍 | 低成本、綠色、高效制備多功能柔性RGO絲織物電極”為題進行了詳細報道(https://new.qq.com/omn/20211214/20211214A014AE00.html)。 

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