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  南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院金鐘教授和劉杰教授共同帶領(lǐng)的“微納米能源材料課題組”在纖維狀能源器件方向取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“MoS₂-Based All-Purpose Fibrous Electrode and Self-Powering Energy Fiber for Efficient Energy Harvesting and Storage”為題發(fā)表在Advanced Energy Materials 2016, 601208。助理研究員梁佳博士和博士研究生朱國銀為論文共同第一作者。

  能源與環(huán)境危機(jī)已經(jīng)成為人類社會(huì)關(guān)注的重要問題，因此設(shè)計(jì)綠色高效的能源采集和存儲(chǔ)器件是非常重要的。在過去的十多年里，染料敏化太陽能電池、超級(jí)電容器、鋰離子電池、燃料電池等能源器件得到了廣泛研究，但是傳統(tǒng)的能源器件結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以有效滿足可穿戴設(shè)備微型化、便攜化、集成化的發(fā)展需求。與傳統(tǒng)的平面狀能源器件相比，纖維狀能源器件質(zhì)量更輕、柔性更好、集成度更高，同時(shí)可以像高分子纖維一樣，通過紡織技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，從而滿足可穿戴設(shè)備和各種便攜式電子設(shè)備的應(yīng)用需求。

  金鐘和劉杰教授課題組以新型二維材料（MoS₂）為設(shè)計(jì)思路，以碳納米纖維材料為基礎(chǔ)，制備出多功能的CF@TiO₂@MoS₂同軸納米復(fù)合纖維，該纖維在太陽能電池、超級(jí)電容器、鋰離子電池以及電催化等方面均具有優(yōu)異的性能（圖1）。

圖1. CF@TiO₂@MoS₂同軸纖維的結(jié)構(gòu)及其在染料敏化太陽能電池（DSSC），超級(jí)電容器（supercapacitor），鋰離子電池（LIB），氫析出反應(yīng)（HER）等方面的應(yīng)用。

  在纖維狀太陽能電池和超級(jí)電容器的研究基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)采用該復(fù)合纖維電極構(gòu)筑了纖維狀光電轉(zhuǎn)換與能源存儲(chǔ)一體化集成器件（圖2）。在我們?cè)O(shè)計(jì)的自供電纖維狀能源器件中，能源采集和能源存儲(chǔ)單元共享同一根纖維電極，通過簡單且低成本的方法，在單個(gè)纖維器件上同時(shí)實(shí)現(xiàn)“光-電-電化學(xué)”能源采集和存儲(chǔ)，并且具有高效率、耐彎折、可編織等優(yōu)點(diǎn)（圖3）。該自供電器件的太陽能電池部分的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了9.5%，是目前世界上已發(fā)表文獻(xiàn)中纖維狀太陽能電池效率的最高記錄。在太陽光照條件下，該器件的超級(jí)電容器部分能夠?qū)崿F(xiàn)僅需7秒鐘的快速充電（圖4）。本項(xiàng)目在柔性可穿戴自供電能源系統(tǒng)中邁出了關(guān)鍵一步，為發(fā)展下一代先進(jìn)能源器件提供了新思路。

圖2. 利用單根CF@TiO₂@MoS₂同軸纖維電極實(shí)現(xiàn)DSSC、supercapacitor、LIB或HER等應(yīng)用的示意圖。

圖3.（a）基于同軸纖維電極的DSSC器件結(jié)構(gòu)示意圖。（b）工作電極表面微觀結(jié)構(gòu)。（c）耐彎折性能測試。（d）一根長度為17厘米的纖維能源器件實(shí)物。

圖4. （a）纖維狀光電轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能集成器件反應(yīng)示意圖。（b）不同工作狀態(tài)的自供電能量纖維的電壓-時(shí)間曲線圖。（c）自供電能量纖維的光-化學(xué)-電能量轉(zhuǎn)換效率。

  該研究工作得到了國家青年千人計(jì)劃、973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。