硼与卤素共掺杂的核-壳结构柔性石墨烯纤维超级电容器的制备及其性能研究

Graphene fibriform supercapacitors play an important role in the development of flexible wearable electronics because of its light weight, mechanical flexibility for textiles. But its low capacitance is a key problem to be resolved urgently. It is critical to prepare one kind of graphene fiber that has high specific area and high pseudocapacitance. This project focuses on preparing one kind of boron and halogen co-doped core-sheath structure graphene microfiber which will have high capacitance. We will systematically study this unique microfiber’s electrochemical properties, doping mechanism and experimental parameters. Then we will assemble these unique fibers to stretchable fibriform supercapacitors which will have high specific capacitance by gel electrolyte. This all-graphene core-sheath microfiber in which graphene fiber acts as core and 3D porous graphene as sheath has some advantages such as light weight, electrical conductivity, high specific area and so on. The co-doping of boron and halogen will have synergistic reaction. Boron’s electron deficiency and halogen’s high electronegativity can create net positive charges in graphene fiber, which will accelerate electron transfering and rearranging, inducing high pseudocapacitance. It is significant to carry out this project for the development of flexible wearable electronics.

石墨烯纤维超级电容器因具有质量轻、可编织等优势，在柔性、可穿戴电子设备的发展中显得尤为重要。但其比电容较小是亟待解决的一个重要问题。制备具有高比表面积及能够有效利用赝电容的石墨烯纤维是解决这一问题的关键。本项目拟通过电化学沉积三维多孔石墨烯及掺杂硼与卤素，制备具有高电容量的硼与卤素共掺杂的核-壳结构石墨烯纤维，系统研究该类纤维的电化学性能、掺杂机理及实验参数，并通过固态电解质将其组装成超级电容器，有望提高比电容值。这种以石墨烯纤维为核，三维多孔石墨烯为壳的全石墨烯核-壳结构纤维具有质量轻、导电性好、比表面积大等优点。另外，硼及卤素共掺杂时具有协同作用，硼的缺电子性及卤素的大电负性都能使石墨烯纤维结构中产生正电荷，加大电子转移与排列速率，提高赝电容。该项目的开展对柔性、可穿戴电子设备的发展具有重要的科学意义。

石墨烯纤维是石墨烯片有序排列而成的宏观一维材料。该纤维因质量轻、可编织及易于功能化等优势，在柔性、可穿戴电子设备的发展中初露锋芒。但由其组装的电容器的比电容值较小是亟待解决的一个重要问题。围绕着这一问题，本项目开展了两方面工作：一是通过水热法、原位聚合法两步制备出石墨烯/导电聚合物核-壳结构复合纤维，通过固态电解质将这种核-壳结构复合纤维组装成超级电容器；二是结合水热法、原位聚合法及高温退火法制备出硫掺杂石墨烯纤维并组装成超级电容器。对这两种超级电容器进行了系统的形貌表征和性能测试，包括形貌表征、机械性能测试、电化学性能测试、循环稳定性能测试等。结果表明两种超级电容器的这些性能在同等测试条件下均优于单纯的石墨烯纤维组装的超级电容器。石墨烯/导电聚合物核-壳结构纤维基超级电容器在电流密度为0.53 mA/cm2时, 比电容值达到15.39 mF/cm2，在300个弯曲-伸直-弯曲循环中，比电容值几乎保持不变，具有较好的柔性和电化学稳定性。硫掺杂石墨烯纤维超级电容器在扫描速度达到2 V/s时循环伏安保持较好形状，且电位窗口拓宽至1 V, 在电流密度为25.47 μA/cm2时, 比电容值达到4.55 mF/cm2，弯曲不同角度时比电容值保持得较好，是一种电化学性能良好的柔性超级电容器。该项目的开展为石墨烯复合纤维及石墨烯掺杂纤维的制备提供了方法和思路，对柔性、可穿戴电子设备的发展具有重要的科学意义。