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東南大學化學化工學院Huijuan Zhu等--氫鍵相互作用促進聚乳酸-石墨烯-微晶纖維素聚苯胺納米纖維的超電容

靜電紡絲聚乳酸-石墨烯-微晶纖維素/聚苯胺(PLA-GN-MCC/PANI)納米纖維是一種優異的超級電容器電極材料，它由PLA的柔性襯底、GN的導電添加劑、MCC的GN分散添加劑和PANI的電活性物質組成。通過優化PLA-GN-MCC組分質量比為10:0.6:1，可獲得優異的界面親和性能。優化后的PLA-GN-MCC的極限抗拉強度和斷裂伸長率分別為568 kPa和93%，優于PLA的496 kPa和87%，具有較好的強度和柔韌性。PLA、PLA-GN-MCC和PLA-GN-MCC/PANI的歐姆電阻從18.73降至9.58降至8.00Ω，電荷轉移電阻從323.2減小到181.7減小到17.8 Ω，電子帶隙從4.084減小到0.557減小到0.142 eV，前線分子軌道能隙從3.6505減小到0.7964減小到0.7694 eV，態密度從4.7983增大到5.7842增大到8.6671 eV^-1。這些結果表明了更可行的電子躍遷和更高的電子導電性。PLA-GN-MCC與PANI之間的氫鍵相互作用增加了界面親和力，降低了總表面能，使電化學電容從2.72增加到3.72，達到221.64 mF/cm²。實驗測量和仿真計算結果一致，證明了PLA-GN-MCC/PANI納米纖維在電化學儲能方面的應用前景。

圖1. (a) PLA-GN-MCC/PANI電極的制備工藝。柔性(b) PLA襯底，(c) PLA-GN-MCC襯底和(d) PLA-GN-MCC/PANI電極的照片。

圖2. (a) PLA₆、(b) PLA₈及(c) PLA₁₀照片。(d) PLA₁₀， (e) PLA₁₀-GN_0.15， (f) PLA₁₀-GN_0.3，(g) PLA₁₀-GN_0.6，(h) PLA₁₀-GN_0.3，(i)PLA₁₀-GN_0.3-MCC_0.5。(j) PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁的掃描電鏡圖。(k) PLA₁₀、PLA₁₀-GN_0.15-MCC₁、PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁和PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁基質的拉伸應變-應力曲線。

圖3. (a, b) PLA₁₀-GN_0.15-MCC₁，(c, d) PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁，(e, f) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁表面活性劑處理前后的接觸角。(g, h) PLA₁₀-GN_0.15-MCC₁，(i, j) PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁，(k, I) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁表面活性劑處理前后的顯微形貌。

圖4. (a) PLA-GN-MCC底物在苯胺聚合前后的FT-IR光譜。(b) PLA₁₀-GN_0.15-MCC₁/PANI、(c) PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁/PANI和(d) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI的微觀形貌。(e) PLA₁₀-GN_0.15-MCC₁/PANI、PLA₁₀-GN_0.3-MCC₁和PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI電極的耐藥性。

圖5. 在5-200mV /s掃描速率，0.5MH₂SO₄電解液中(a)純PLA，(b) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁和(c) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI的CV曲線;在5mV /s掃描速率，0.5MH₂SO₄電解液中(d)純PLA、PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁和PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI的CV曲線比較。在0.05 ~ 0.5 Ag^-1電流密度，1 MH₂SO₄電解液中(e) PLA， (f) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁和(g) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI的GCD曲線;在電流密度為0.05Ag^-1，1MH₂SO₄電解液中(h) PLA與PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁的GCD曲線比較;(i) 0.05-0.5 Ag^-1不同電流密度下的比電容。(j)純PLA在1MH₂SO₄電解液中的Nyquist圖;(k) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁在1MH₂SO₄電解液中的Nyquist圖;(1) PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁/PANI在1MH₂SO₄電解液中的Nyquist圖;(m)純PLA與PLA₁₀-GN_0.6-MCC₁底物在1MH₂SO₄電解液中的Nyquist圖比較。(n)等效電路模型。

圖6. (a)優化后的GN-MCC結構。(b) PLA-GN-MCC/PANI分子結構模型中的氫鍵示意圖。

圖7. (a, b) PLA (c, d) PLA-GN-MCC和(e, f) PLA-GN-MCC/PANI的HOMO和LUMO分布。

圖8. (a) MCC、PLA和GN的前線分子軌道能隙;(b) PLA、PLA-GN-MCC和PLA-GN-MCC/PANL的HOMO能、LUMO能和前線分子軌道能隙。(c) PLA， (d) MCC， (e) GN， (f) PLA-GN-MCC和(g) PLA-GN-MCC/PANL的能帶結構。 PLA、PLA-GN-MCC和PLA-GN-MCC/PANI的(h)總體和(i)局部態密度圖。

相關研究成果由東南大學化學化工學院Huijuan Zhu等人于2023年發表在Materials Today Chemistry (https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2023.101535)上。原文：Hydrogen-bonding interaction promoted supercapacitance of polylactic acid-graphene-microcrystalline cellulose/polyaniline nanofiber。

轉自《石墨烯研究》公眾號



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