细菌纤维素/还原氧化石墨烯/NiCo层状双氢氧化物复合薄膜的简易合成及其在自支撑超级电容器电极中的电化学性能研究

研究人员针对柔性电子器件对高性能储能材料的迫切需求，开发了一种基于细菌纤维素(BC)基底、负载还原氧化石墨烯(rGO)和镍钴层状双氢氧化物(NiCo-LDH)的复合电极薄膜。通过"直接浸渍-过滤-回流"的简易方法，成功制备出具有311 F g-1 高比电容的BC/rGO/NiCo-LDH柔性电极材料，其密度仅0.656 g cm-3 ，在90°C仍保持0.40的储能模量保留率，为可穿戴电子设备提供了兼具优异机械性能和电化学性能的轻量化储能解决方案。

　　

随着折叠屏手机、智能手环等柔性电子产品的普及，开发与之匹配的柔性储能器件成为研究热点。传统超级电容器电极材料往往面临机械柔韧性不足、重量大等问题，难以满足可穿戴设备对轻量化、可弯曲储能元件的需求。细菌纤维素(BC)因其独特的纳米纤维网络结构和优异的力学性能，被视为理想的柔性基底材料，但其本征绝缘性限制了电化学应用。如何在不牺牲机械性能的前提下，赋予BC基材料优异的电荷存储能力，成为该领域亟待解决的关键科学问题。

针对这一挑战，国内某研究团队在《Materials Science for Energy Technologies》发表研究成果，创新性地将还原氧化石墨烯(rGO)的导电性与镍钴层状双氢氧化物(NiCo-LDH)的赝电容特性相结合，在BC三维网络结构中构建了分级复合体系。研究人员采用"直接浸渍-过滤-回流"的三步法：首先将BC纤维分散体与氧化石墨烯(GO)混合，经真空过滤成膜后用抗坏血酸还原获得BC/rGO基底；随后通过回流加热使Ni²⁺
和Co²⁺
离子在BC/rGO上原位生长NiCo-LDH。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜-能谱联用(SEM-EDS)等多维表征技术，系统分析了材料的结构与性能关系。

在材料表征部分，XRD图谱证实了α-NiCo-LDH特征峰(23.4°、34.4°和60.4°)的成功形成，同时BC的(110)晶面峰强度随rGO掺入而减弱，表明组分间的有效复合。FTIR光谱显示BC/rGO/NiCo-LDH在3497 cm^-1
处出现O-H伸缩振动宽峰，1371 cm^-1
和829 cm^-1
处的特征峰分别对应NO₃
^-
和CO₃
^2-
离子。SEM图像清晰展示了NiCo-LDH在BC/rGO基底上形成的海胆状三维结构，EDS元素分布图证实了Co、Ni元素的均匀分散。拉曼光谱中ID/IG比从GO的0.96提升至复合材料的1.01，反映了rGO还原过程中碳晶格缺陷的增加。XPS分析进一步揭示了Co 2p_3/2
(781.6 eV)和Ni 2p_3/2
(856.3 eV)的特征峰，验证了NiCo-LDH的成功负载。

电化学测试结果显示，BC/rGO.7.5/NiCo-LDH电极在1 mV/s扫描速率下展现出311 F g^-1
的优异比电容，远超纯BC/rGO材料(27.54 F g^-1
)。这种性能提升源于三方面协同效应：BC纳米纤维网络为电子传输提供连续通路；rGO片层增强了整体导电性；NiCo-LDH贡献了丰富的氧化还原活性位点。电化学阻抗谱(EIS)拟合得到的总电阻为24.992 Ω，恒相位元件(CPE)值为2.015×10^-5
F，表明电极具有良好的电荷传输动力学。

力学性能方面，该复合材料展现出卓越的柔性特征，可承受反复弯曲而不破裂。动态机械分析(DMA)显示其在95°C仍保持2.4 GPa的储能模量，相对于27°C初始值的保留率达0.40。0.656 g cm^-3
的低密度使其比传统电极材料轻60%以上，这种特性源于BC的纳米多孔结构与rGO的低密度特性协同作用。热重分析(TGA)表明，随着rGO含量从2.5%增至7.5%，材料在750°C的残炭率从6.93%显著提高到73.04%，证实rGO的引入大幅提升了热稳定性。

该研究通过巧妙的材料设计和简易的制备工艺，成功实现了BC基复合材料在力学性能与电化学性能间的平衡突破。所开发的BC/rGO/NiCo-LDH薄膜兼具311 F g^-1
的高比电容、0.656 g cm^-3
的轻量化特性和优异的柔性，其性能指标优于多数已报道的纤维素基电极材料。这项工作为发展新一代柔性储能器件提供了重要材料基础，特别在智能纺织品、可穿戴医疗监测设备等领域具有广阔应用前景。研究者提出的"直接浸渍-过滤-回流"合成策略具有工艺简单、成本低廉的优势，可扩展至其他金属氧化物/氢氧化物柔性电极的制备，为功能性纳米复合材料的开发提供了新思路。