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来源：材料科学前沿收集编辑：高分子科学前沿
纤维超级电容器在可穿戴电子产品的应用中具有极大的潜力，但纤维内部往往由于交联不足和结构的无序性制约了其性能。MXene作为一种二维的过渡金属材料，其金属核层有利于快速的电子传输，并且过渡金属氧化物类表面可以为赝电容储能贡献氧化还原活性位点。此外，超薄2D MXene片有望在不添加任何添加剂的情况下形成向列相液晶(LC)相，从而为通过化学组装构建宏观纤维提供基础。然而MXene片层的不均匀的表面电荷分布会导致纤维内部相邻MXene片层之间的界面交联不足，最终导致电导率和力学性能低于理想水平。此外，MXene片层还会形成随机无序结构的自堆叠，难以获得连续且定向的层间通道用于电解质离子传输，进而影响MXene纤维的电化学性能的降低和容量衰减。
基于此，哈工大李垚/赵九蓬团队开发了一种新型的界面交联法制备出具有高柔韧性和电化学性能的MXene纤维。2D MXene片通过液晶湿法纺丝组装构建了连续且具有高度取向的纤维，通过表面改性的MXene的富氧阴离子端基可以通过静电相互作用增强界面交联度。所制备的MXene纤维具有高的电导率( 3545 S cm-1)和机械强度( 205.5 MPa )以及高达1570.5 F cm-3的赝电容电荷储能性能。并且基于该纤维制备的超级电容拥有着极高的能量密度（77.6 mWh cm-3）。该论文以“Electrostatic Interfacial Cross-Linking and Structurally Oriented Fiber Constructed by Surface-Modified 2D MXene for High-Performance Flexible Pseudocapacitive Storage”为题发表在ACS Nano上。作者采用胺刻蚀的剥离法制备了具有各向异性的MXene片，并最终获得了2D MXene LC胶体溶液（图1）。然后采用静电组装的方法从2D MXene LC胶体中制备了MXene纤维。在纺丝过程中，MXene的取向在剪切流作用下沿单轴流动方向形成具有高度统一取向的MXene片层自组装结构，从而为MXene纤维提供连续、定向的层间通道进行电解质离子传输。同时，MXene表面带负电荷的富氧阴离子基团会通过静电作用捕获阳离子絮凝剂，这可以增强相邻MXene片层之间的界面交联MXene纤维具有较高的力学性能和导电性能。最后，将涂覆有凝胶状电解质的MXene纤维集成在一起，可以制备成具有实际应用的纤维超级电容器。本文制备两种MXene基纳米纤维，即醋酸处理过的纤维（Ac-MXene fiber）和壳聚糖质子化的纤维（Cs-MXene fiber）。作者发现在纤维组装过程中，阳离子絮凝剂可以显著影响MXene纤维内部的结构取向和界面交联。此外，作者也证明了MXene片层之间的静电界面交联将有效地保持纤维内部的高度取向结构，从而赋予纤维优异的机械性能。具有静电界面交联和高度取向结构的MXene纤维具有较高的力学性能和导电性能。Cs-MXene纤维的拉伸强度为261.2 MPa，应变为3.83 %，略高于Ac-MXene纤维的205.5 MPa和1.69 %。虽然Ac-MXene纤维和Cs-MXene纤维的结构取向相似，但力学性能的差异可归因于纤维内部不同的界面交联。对于Ac-MXene纤维，凝固浴为乙酸水溶液。在纺丝过程中，MXene片层上带负电荷的富氧阴离子基团与水合质子(H3O+)通过静电相互作用形成层间交联。然而，Cs-MXene纤维的阳离子絮凝剂是质子化壳聚糖，它具有丰富的羟基和质子化的-NH3+基团，可以在壳聚糖分子和MXene片之间形成多重相互作用。在纤维纺丝中，质子化壳聚糖不仅可以通过其质子化的-NH3+基团与MXene片层之间形成静电相互作用，还可以在两者之间引入氢键MXene片层和壳聚糖的羟基。静电相互作用可以与氢键共同作用，导致纤维的力学行为优于单一界面交联。然而Ac-MXene纤维的电导率可以达到3545 S cm-1，约为Cs-MXene纤维的1.6倍。这种差异也可以归因于它们对阳离子絮凝剂的依赖性。质子化的壳聚糖有助于改善机械性能，但由于其聚合性质，降低了纤维的导电性。作者进一步探究了MXene纤维的电化学性能。该纤维可以直接作为自支撑电极，无需非活性粘结剂、导电添加剂和支撑基底。结果表明，MXene纤维表现出由电解质离子可逆插层和MXene快速表面氧化还原反应诱导的赝电容行为，具有较高的氧化还原活性和稳定性。如图3所示，在5 mV s-1的扫速下，Ac-MXene纤维的比电容为-1570.5 F cm-3。并且Ac-MXene纤维展现出较高的库伦效率，这得益于MXene的快速插层赝电容行为和高度取向的结构有利于加速离子传输。此外Ac-MXene纤维还表现出高性能的稳定性和长循环寿命。经过10000次充放电循环后，该纤维能够实现98.1 %的电容保持率。这些结果证实了MXene片层在纤维内部高度取向结构和界面交联的优势。具体来说，富氧表面终端的存在可以促进H2O分子在MXene片层之间的插层，从而实现快速的氧化还原反应促进质子插入和转移过程。并且，得益于MXene的高度取向结构，与随机无序的MXene组装结构相比，纤维内部连续且定向的层间通道有望加速离子传输。为了说明MXene纤维在柔性能源应用中的前景，作者使用Ac-MXene纤维覆盖凝胶状电解质层，构建了具有对称结构的纤维超级电容器原型。获得的纤维超级电容器在401.9 mW cm-3时具有77.6 mWh cm-3的高体积能量密度。如图4所示，与单根纤维超级电容器相比时，串联的两个器件能够以相近的充放电时间将输出电压扩展到1.6 V。当两个纤维超级电容器并联时，在相同的电流密度和工作电压下，充放电时间是单个器件的两倍(图4 )，这些结果表明该纤维超级电容器具有良好的可扩展性。总结：该工作制备出的纤维超级电容器展现出在商业纺织品极大的应用潜力，特别是对于轻质、可穿戴的电子设备中具有很好的应用前景。投稿、荐稿、爆料：editor@polysci.cn