標題：長春工業大學《ACS AMI》：多孔石墨烯包裹Cu(OH)2核殼結構碳纖維電極，用於高性能柔性超級電容器
1成果簡介
要探索下一代柔性超級電容器，輕質、高導電性、低成本和出色的電容是實際應用的先決條件。然而，由於碳纖維（CF）基柔性超級電容器的導電性不盡人意、表面積有限以及孔隙率低導致離子傳輸通道過長，因此需要進一步提高其電化學性能。
本文，長春工業大學金琳 等研究人員在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表名為「Fabrication of Porous Reduced Graphene Oxide Encapsulated Cu(OH)2 Core–shell Structured Carbon Fiber-Based Electrodes for High-Performance Flexible Supercapacitors」的論文，研究通過一種可擴展的方法製造出了一種多孔還原氧化石墨烯封裝 Cu(OH)2 核殼結構 CF 基電極。廉價的 Cu(OH)2 納米陣列可控地原位生長在 CF 基底上，殘餘的銅促進了導電性。作為外殼的多孔氧化石墨烯（PrGO）是通過鎳納米粒子刻蝕實現的，這不僅為電容提供了更多的活性位點，縮短了離子傳輸的通路，還有效緩解了內部活性材料的剝離。
此外，由於這種獨特的核殼結構，外部 PrGO 層和內部有序的 Cu（OH）2 納米陣列之間的額外空間為電容存儲提供了更大的空間。組裝後的 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 電極具有出色的面積電容，在電流密度為 0.5 mA cm-2 時，電容高達 722 mF cm-2，這歸功於其出色的結構和材料優勢。所製備的 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF//AC//CF 不對稱柔性全固態超級電容器的能量密度高達 0.052 mWh cm-2，並具有長期耐用性。這項工作為基於 CF 的可穿戴超級電容器提出了一種低成本、有效的分層結構電極製造方法。
2圖文導讀
圖1. 製備 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 電極的示意圖。
圖2. (a) CF 的 SEM 圖像。(b, c) CF-5 min 的 SEM 圖像和 Cu(OH)2/CF 的相應圖像。(d) CF-20 min 的低倍掃描電鏡圖像。(e, f) CF-20 min 的高倍掃描電鏡圖像和 Cu(OH)2/CF 的相應圖像，以及 (g) EDS 元素映射圖像。(h, i) CF-30 min 的 SEM 圖像和 Cu(OH)2/CF 的相應圖像。
圖3. 分別為（a）GO-Ni(OH)2、（b）GO-Ni 和（c）多孔 rGO 的掃描電鏡圖像；（d、e）GO 和多孔 rGO 的 TEM 圖像；（f）PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的掃描電鏡圖像；（g）PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的 EDS 圖譜；（h）Cu/CF 和 Cu(OH)2/Cu@CF 的 XRD 光譜、 (i) GO 和 PrGO 的 N2 吸附-解吸等溫線（插圖為 GO 和 PrGO 的孔徑分佈曲線），以及 (j) Cu(OH)2/Cu@CF 和 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的 N2 吸附-解吸等溫線。
圖4. (a)GO和PrGO的XPS光譜；(b)Cu(OH)2/Cu@CF和 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的 XPS 光譜對比；(c) 和 (d) (OH)2/Cu@CF 和 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的 C 1s 高分辨率 XPS 光譜；以及 (e, f) Cu(OH)2/Cu@CF 和 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 的 Cu 2p 光譜。
圖5：（a）不同電極的循環伏安圖（CV）曲線；（b）不同電極在 1 mA cm-2 下的電靜電充放電（GCD）曲線；（c）PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 電極在不同掃描速率下的 CV 曲線；（d）PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 電極在 0. 5 至 10 mA cm-2 的 GCD 曲線；(e) 不同電流密度下 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 電極的等效電容；(f) PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 電極在 10 mA cm-2 下循環 3000 次的穩定性；插圖顯示了 2000 次循環前後的 CV 曲線；(g) 不同電極的奈奎斯特圖；(h) 具有出色儲能能力的 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 電極示意圖；(i) log(i) 與 log(v) 之間的關係；(j) 60 mV s-1 時的 CV 曲線，其中包括電容貢獻（紫色區域）；(k) 不同掃描速率下擴散控制貢獻與電容控制貢獻之比。
圖6：(a) 柔性 ASC 器件的結構示意圖；(b) AC/CC 電極和 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 電極在 50 mV s-1 時的 CV 曲線；(c) 器件在不同掃描速率下的 CV 曲線；(d) 不同電流密度下的 GCD 曲線。(e) Ragone 圖，(f) 器件在不同彎曲角度下的數碼照片，以及 (g) 器件的循環穩定性；插圖顯示了 1000 個循環前後的 CV 曲線。(h) 兩個串聯器件的數碼照片，用於為電子手錶供電；以及 (i) 紅色 LED 燈（5000 次循環後）。
3小結
簡而言之，我們通過一種簡便的策略成功製造出了一種新型分層核殼結構碳纖維電極。通過原位還原和蝕刻獲得的多孔還原氧化石墨烯（rGO）可作為導電外殼，提供豐富的活性位點並縮短離子擴散路徑。在可控工藝下，銅（OH）2 陣列沉積在銅裝飾的碳纖維上。由多孔 rGO 包覆 Cu(OH)2 形成的核殼結構具有大表面積和高導電性。製備的 PrGO/Cu(OH)2/Cu@CF 電極在 0.5 mA cm-2 電流條件下的面積電容達到了 722 mF cm-2。此外，所組裝的電化學存儲裝置還具有較高的能量密度和功率密度，分別為 0.052 mWh cm-2 和 0.63 mW cm-2，並且具有良好的循環穩定性。這些優異的性能歸功於獨特的納米結構，它具有高導電性基底、更多的活性位點和更短的離子擴散通道。這項研究提出了一種新穎有效的方法來克服基於碳纖維的柔性電極所面臨的棘手挑戰，為設計基於纖維的高性能柔性超級電容器提供了寶貴的啟示。
文獻：https://doi.org/10.1021/acsami.3c14872
來源：材料分析與應用
