基于0D-1D-2D分级结构的聚苯胺纳米线/MXene量子点-石墨烯复合纤维用于高性能可穿戴超级电容器

　　针对二维石墨烯和MXene在可穿戴超级电容器中因堆叠问题导致的能量密度不足，研究人员通过微流控辅助湿法纺丝技术构建了聚苯胺纳米线修饰的MXene量子点/石墨烯复合纤维（PANI@MQDs/GF）。该材料具有0D-1D-2D分级结构，显著提升了界面电荷转移和离子迁移效率，实现了1691 mF cm?2 的高比面积电容和214.4 μWh cm?2 的能量密度，为便携式电子设备提供了创新解决方案。

　　

随着便携式和可穿戴电子设备的快速发展，高性能柔性储能器件的需求日益迫切。超级电容器因其高功率密度和长循环寿命成为研究热点，但传统二维材料如石墨烯和MXene因片层堆叠问题导致电荷存储容量受限，严重制约了实际应用。如何通过结构设计提升能量密度，成为该领域的关键挑战。

北京服装学院的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，提出了一种创新解决方案：通过微流控辅助湿法纺丝技术，将聚苯胺（PANI）纳米线锚定在MXene量子点（MQDs）/石墨烯复合纤维上，构建具有0D-1D-2D分级结构的PANI@MQDs/GF材料。该设计不仅有效抑制了石墨烯纳米片的堆叠，还通过C-O-Ti共价键增强界面连接，显著提升了离子迁移速率和电荷存储能力。最终组装的纤维超级电容器展现出1691 mF cm^?2
的比面积电容和214.4 μWh cm^?2
的能量密度，循环9500次后容量保持率接近100%，并成功应用于织物集成电子设备的供能系统。

关键技术包括：1）LiF/HCl蚀刻法制备Ti₃
C₂
T_x
MXene量子点；2）微流控湿法纺丝构建MQDs/石墨烯复合纤维；3）电化学聚合法在纤维表面生长PANI纳米线。

结果与讨论

1. 材料制备与表征：通过超声剥离获得0D MQDs，其与石墨烯氧化物（GO）通过C-O-Ti键形成点-片结构（0D-1D），PANI纳米线的引入进一步扩展为三维分级网络。
2. 电化学性能：0D MQDs提供量子限域效应和快速氧化还原动力学，1D PANI纳米线增加活性位点，2D石墨烯保障导电性，三者协同作用使体积比电容达450 F cm^?3
   。
3. 实际应用：组装的柔性超级电容器可为织物嵌入的“星形”LED和温湿度计持续供能，验证了其在智能穿戴领域的实用性。

结论与意义
该研究通过多尺度结构设计解决了二维材料堆叠导致的性能瓶颈，提出的0D-1D-2D分级策略可推广至其他层状材料体系。PANI@MQDs/GF在保持高机械柔性的同时实现能量密度突破，为下一代可穿戴能源器件提供了新思路。资助项目包括北京市自然科学基金（2232048）和国家自然科学基金（52003010）。