福州大学AFM：具有多级三维结构可用于环境波动能量平滑的柔性交流滤波纤维电极

随着绿色能源的兴起，越来越多的环境能量被相继利用。但环境中能量信号的波动不可避免，如何有效地平滑和利用环境中的波动信号面临重要挑战。使用滤波电路是一种行之有效的方法，但传统的滤波电容器存在柔性差、体积/面积比电容较小等缺点，限制了电子产品的小型化与便携化。电化学电容器（EC），尤其是纤维电容器（FSEC）在小型化柔性电路中具有广阔的应用前景，例如将环境中微小的机械能或者环境温差热能收集并转换成电能的小型化电路。然而，FSEC在交流滤波器电路中的应用严重受限于纤维电极的离子传输和电荷存储之间的相互制约，迫使FSEC不得不牺牲其比电容以获得更快的频率响应性能以此来满足滤波电路中的频率响应需求。

近期，福州大学罗中箴教授、清华深圳国际研究院耿洪亚助理教授、福建师范大学卢至行博士等合作设计了一种具有多级三维结构（H3D）的纤维状电极，该电极由电化学沉积的三维多孔的还原氧化石墨烯（ErGO）构成主骨架，相互交织的PEDOT纳米纤维覆盖于ErGO表面形成二级网络（H3D-GP）。在该结构中，三维多孔的ErGO为离子传输提供了顺畅的通道， PEDOT二级网络实现了在不阻碍离子传输的同时进一步提供了丰富的活性位点从而增加FSEC的比电容。在120 Hz下，FSEC的面积比电容高达1.37 mF cm−2，相位角为−82°。因此，H3D-GP具有出色高频响应能力和柔性，非常适合用于小型化便携式环境能量发电器纹波平滑。与纳米摩擦发电机（TENG）集成后，FSEC可以将TENG产生的多种波动交流信号（身体不同部位的运动和运动频率）转化为直流信号，证明了其应用于柔性交流滤波电路的潜力。

文章要点：

1.该工作构建了三维多孔的ErGO构成了离子快速传输的主骨架，PEDOT纳米纤维作为二级网络，均匀地覆盖在ErGO表面，提供丰富的离子吸附位点，而不减慢离子迁移。

2. H3D纤维电极构成的FSEC表现出了优异的频率相关电化学性能，在120 Hz下，面积比电容达1.37 mF cm−2，相位角为−82°。超过了之前报道的所有纤维型滤波电容器和大多数非纤维型滤波EC。

3. H3D-GP电极与集流体具有较强的相互作用，保证了其优异的柔性。即使经过不同角度的反复弯曲，也能保持稳定的电容、相位角和等效串联电阻。

4. H3D-GP电极具有良好的纹波平滑能力，当与一个TENG构成可穿戴的柔性滤波电路时，它可以很好地平滑来自任意人体运动的波动信号，例如手指、手肘、膝盖以及脚底等的运动。

福州大学材料科学与工程学院吴明懋与孙科为本论文的共同第一作者，福州大学罗中箴教授、清华深圳国际研究院耿洪亚助理教授、福建师范大学卢至行博士为通讯作者。该项成果得到了邹志刚院士的指导和帮助。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、福建省光电信息科技创新实验室、福建省自然科学基金项目、闽江学者、深圳市财政局科研基金项目、广西碳酸钙资源综合利用重点实验室开放课题等基金项目的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305039

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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