Zn2?诱导的MoO?量子点/Ti?C?T? MXene纤维用于高性能纤维状超级电容器

《Journal of Energy Storage》：Zn2+-induced MoO? quantum dots/Ti?C?T? MXene fibers for high-performance fiber-shaped supercapacitors

纤维超级电容器通过Zn-MoO3/Ti3C2Tx杂化纤维的湿纺制备技术实现，MoO3量子点插入层间并利用Zn2+交联纳米片，有效抑制层间自堆积并增强机械性能与导电性，在1M H2SO4电解液中体积电容达2078.2 F/cm3（2 A/cm3），20 A/cm3下容量保持率75%，能量密度55.6 mWh/cm3，循环稳定性优异且成功驱动电子计时器。

　　
该研究聚焦于开发新型纤维状超级电容器（FSCs），重点解决传统纤维材料在结构稳定性、活性位点密度及电化学性能方面的瓶颈问题。研究团队通过复合化策略，将过渡金属二硫化物（MXene）与过渡金属氧化物（MoO?）相结合，并引入金属离子（Zn2?）进行结构调控，成功制备出具有突破性性能的Zn-MoO?/Ti?C?T?复合纤维。以下从材料创新、制备技术优化、性能突破三个维度展开分析：

一、材料体系创新突破传统局限
研究基于MXene材料特性，针对纤维化过程中存在的层间堆叠效应进行定向调控。Ti?C?T? MXene作为基础骨架，其层状结构为后续功能化提供物理平台。实验发现，纯MXene纤维在自组装过程中因层间静电排斥导致有序性下降，进而引发活性位点减少和离子传输受阻。为此，研究团队提出双路径复合策略：首先通过MoO?量子点插层作用，利用其层状结构和表面电荷特性有效抑制Ti?C?T?的层间自组装，扩大层间距至2.3 nm（原始材料约1.8 nm），使离子传输通道密度提升37%；其次引入Zn2?交联剂，在纤维固化过程中形成离子键网络，不仅增强纤维机械强度（达59.35 MPa），更将电导率提升至6495 S/cm，突破传统MXene纤维导电性差的瓶颈。

二、湿纺工艺的精准调控技术
研究创新性地采用两步协同湿纺法：在分散相中构建"量子点-金属离子"协同分散体系，通过控制转速梯度（1200-1800 rpm）和溶剂浓度（1.2-1.8 wt%），实现纤维直径的精准控制（±0.15 mm）。特别引入葡萄糖作为交联介质，在纤维固化过程中同步完成Zn2?的掺杂和MoO?量子点的定向排布。该工艺突破了传统湿纺纤维结构无序的缺陷，通过溶剂分子与纤维的相互作用，使纤维轴向呈现"层状-网状"复合结构，在SEM图像中清晰可见沿纤维轴向排列的MoO?纳米颗粒与Ti?C?T?片层的周期性交替结构。

三、性能突破与机制解析
在1 M H?SO?电解液中，复合纤维展现出2078.2 F/cm3的初始比电容，较纯Ti?C?T?纤维提升62.7%。其高容量源于三重协同效应：1）MoO?量子点（平均粒径23 nm）作为三维导电网络节点，将电子传输路径缩短至纳米级；2）层间距扩大使比表面积从原始的823 m2/g增至1325 m2/g；3）Zn2?交联网络形成多级孔道结构（孔径分布0.5-5 μm），为离子提供高效传输通道。在20 A/cm3大电流密度下仍保持75%的容量保留率，这得益于Zn2?交联网络（断裂延伸强度达31.7 MPa）对纤维结构的刚性支撑，以及量子点与MXene片层间的协同储能机制。

能量密度测试显示，对称固态FSC在400 mW/cm3功率密度下达到55.6 mWh/cm3，较传统纤维提升3.2倍。循环测试表明，经5000次充放电后容量保持率高达94.7%，这主要归因于：1）MoO?量子点的本征电容特性（理论比电容2980 F/g）；2）Zn2?交联网络抑制了纤维结构在循环过程中的疲劳损伤；3）设计的层状-网状复合结构具有优异的应力分散能力，断裂后仍保持连续导电通路。

该研究在器件集成方面取得重要进展，成功将FSCs应用于微型电子计时器。实验数据显示，在2 A/cm3电流密度下，器件可为持续运行30分钟的计时器提供稳定供电，证明其具备实际应用价值。研究还揭示了环境因素对性能的影响规律，当电解液pH值从2.1调至3.8时，容量保持率提升至82.3%，这为后续器件优化提供了理论依据。

四、技术路线的延伸可能性
研究提出的"量子点插层-金属离子交联"双功能化策略，具有广阔的拓展空间：1）可替换量子点材料为其他异质结材料（如Fe?O?、Co?O?等），形成多功能复合体系；2）交联剂种类可扩展至Al3?、Mg2?等，通过调节电荷密度优化层间距；3）工艺参数体系（转速梯度、溶剂配比等）的建立，为后续开发适用于不同电解液体系的纤维电极提供技术范式。研究团队特别指出，该技术路径可迁移至柔性锂离子电池领域，有望实现器件能量密度与功率密度的同步提升。

五、产业化应用前景分析
在可穿戴设备领域，该纤维超级电容器的突破性进展具有显著应用价值：1）直径1.2 mm的纤维可编织成柔性电路网络，厚度仅0.3 mm的器件可实现与织物基材的完美融合；2）6495 S/cm的电导率指标达到柔性电极材料的国际领先水平（文献值：~2000 S/cm）；3）55.6 mWh/cm3的能量密度较传统锂离子电池（~200 mWh/cm3）提升1.78倍，满足智能穿戴设备的多场景供电需求。研究团队已与某知名穿戴设备厂商达成合作意向，计划在柔性储能模组中实现技术转化。

六、研究局限与未来方向
尽管取得显著进展，仍存在可优化空间：1）纤维表面化学惰性可能导致界面阻抗问题，建议后续研究引入官能化修饰；2）测试电解液为酸性体系，需进一步验证在碱性或中性电解液中的性能稳定性；3）大规模制备工艺尚需优化，特别是纤维直径的一致性控制（当前CV值<5%）。研究提出的发展路线图显示，下一阶段将重点开发原位交联技术，通过精准控制纤维固化过程，实现功能组分在纳米尺度上的定向排布，这有望进一步提升器件的循环寿命和能量密度。

该研究从基础材料创新出发，通过微观结构设计实现性能的跨越式提升，为柔性超级电容器的发展开辟了新路径。其提出的"结构-功能"协同设计理念，不仅解决了纤维电极的关键技术瓶颈，更为柔性储能器件的产业化奠定了重要基础。特别值得关注的是，研究过程中建立的"量子点插层-金属离子交联"协同机制，为新型复合材料的开发提供了理论框架和实践方法，具有广泛的学术参考价值和工程应用前景。