大面积和超薄金属氧化物/石墨烯薄膜，用高性能可穿戴微型电容器

摘要：作为储能元件的高性能可穿戴微型超级电容器（MSC）是开发自供电可穿戴电子设备的理想之选。然而，同时具有大面积、超薄厚度和高储能能力的 MSC电极膜的合成仍然具有挑战性。本文，天津理工大学张晨光教授团队在《Small》期刊发表名为“A Universal St

1成果简介

作为储能元件的高性能可穿戴微型超级电容器（MSC）是开发自供电可穿戴电子设备的理想之选。然而，同时具有大面积、超薄厚度和高储能能力的 MSC电极膜的合成仍然具有挑战性。本文，天津理工大学张晨光教授团队在《Small》期刊发表名为“A Universal Strategy for Synthesis of Large-Area and Ultrathin Metal Oxide/rGO Film Towards Scalable Fabrication of High-Performance Wearable Microsupercapacitors”的论文，研究报告了一种通用策略，通过在自组装的rGO薄膜上附着多种MONPs的自组装膜，然后进行碳化，合成大面积、超薄的金属氧化物纳米颗粒（MONPs）/还原氧化石墨烯（rGO）混合结构薄膜。

结合模板辅助图案化策略和浮膜回收工艺，可以很容易地在大面积制备基于 MONPs@C/rGO膜的柔性对称和非对称 MSC。避免了 MONP 团聚，并充分利用了其赝电容行为，从而在基于Fe3O4@C/rGO的对称MSC中实现了 9.32mF cm-2 的高面比电容，膜厚仅为275nm，对应于338.9 F cm-3 的高体积比电容。此外，基于 MnO@C/rGO‖Fe3O4@C/rGO的非对称MSC可提供 69.8mWh cm-3 的高体积能量密度。该MSC还证明了其在可穿戴自供电系统中的高效供电能力。这项工作为可扩展地制备高性能可穿戴式MSC提供了一条新途径，同时也实现了MSC的定制化制造和性能调整。

2图文导读

图1、大面积MO@C/rGO薄膜的制备过程示意图。

图2、用于制作Fe3O4@C/rGO混合结构薄膜的组件的特性。

图3、a) XRD, b) FTIR characterizations of Fe3O4@OA, rGO, Fe3O4@C, Fe3O4@C/rGO. c) C 1s, Fe 2p and O 1s XPS spectra of Fe3O4@C/rGO. d) Raman spectra of rGO, Fe3O4@C, Fe3O4@C/rGO. e) Raman mapping of ID/IG of Fe3O4@C/rGO.

图4、TEM images of MO@OA NPs, MO@OA/rGO and MO@C/rGO. a–c) MnO, d–f) NiFe2O4, g–i) MnFe2O4, j–l) (FeMnNiCoCu)3O4.

图5、a) 通过模板辅助图案化方法制备基于MO@C/rGO薄膜的柔性对称 MSCs 的过程。b-f) 基于Fe3O4@C/rGO薄膜的柔性MSCs演示，其电极大面积串联和并联，具有不同的齿间形状和不同的变形状态。g) 基于Fe3O4@C/rGO薄膜的柔性 MSC 在 200mV s-1条件下以不同弯曲角度弯曲的照片和 h) CV曲线。

图6、基于 Fe3O4@C/rGO 薄膜的对称性MSC的储能性能。

图7、自供电可穿戴电子系统的构建及其工作性能。

3小结

综上所述，我们的研究通过自组装方法实现了大面积超薄MONPs@C/rGO混合结构薄膜的简便合成，该方法适用于多种MONPs。通过模板辅助图案化策略和浮膜回收工艺，可以轻松制备出基于MONPs@C/rGO薄膜的大面积柔性对称和非对称MSC。在我们的MONPs@C/rGO薄膜和器件制备策略中，同时实现了赝电容材料和EDLC材料的共价键结合、MONPs赝电容行为的充分利用、超薄大面积薄膜的合成和MSC的制备，以及MSC的良好柔性等优势。结果，基于Fe3O4@C/rGO的对称MSC在275nm薄膜厚度下实现了9.32mF cm-2的高 CA值，从而实现了338.9Fcm-3的高CV值。

此外，基于 MnO@C/rGO‖Fe3O4@C/rGO 的非对称MSC在0.277W cm-3的PV值下显示出1.99µWh cm-2 的高EA值和69.8 mWh cm-3的EV 值。在 PV 为2.82W cm-3 时，非对称MSC仍能提供33.7mWh cm-3 的高 EV。这些性能也优于大多数基于薄膜的MSC。在可穿戴的自供电紫外线和脉冲传感器中，这些 MSC 也证明了它们的高效供电能力。我们研究中的薄膜合成策略为通过选择不同类型的单分散MONPs来定制制造和调整MSC的性能提供了可能性。大面积和超薄的MONPs@C/rGO薄膜具有合成简便、储能性能高、灵活性好等优点，因此有望在可穿戴电子系统中用作可穿戴电源单元。

文献
:https://doi.org/10.1002/smll.202406426