Electrospun Core–Shell Nanofibrous Membranes with Nanocellulose-Stabilized Carbon Nanotubes for Use as High-Performance Flexible Supercapacitor Electrodes with Enhanced Water Resistance, Thermal Stability, and Mechanical Toughness

材料科学 超级电容器 碳纳米管 复合材料 热稳定性 乙烯醇 聚苯胺 静电纺丝 涂层 电极 纳米复合材料 电容 纳米纤维 聚合物 化学工程 聚合 工程类 物理化学 化学
作者
Jingquan Han,Siwei Wang,Sailing Zhu,Chaobo Huang,Yiying Yue,Changtong Mei,Xinwu Xu,Changlei Xia
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (47): 44624-44635 被引量:178
标识
DOI:10.1021/acsami.9b16458
摘要

A high-performance flexible supercapacitor electrode with a core–shell structure is successfully developed from cellulose nanocrystal (CNC)-stabilized carbon nanotubes (CNTs). By incorporating poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly(acrylic acid) (PAA), a cross-linked nanofibrous membrane (CNT–CNC/PVA–PAA) is prepared as the core material via directional electrospinning, followed by a thermal treatment. The flexible supercapacitor electrodes are eventually fabricated via the in situ polymerization of polyaniline (PANI), which was used as the coating shell material, on the aligned electrospun nanofibers. By taking advantage of the thermally induced esterification cross-linking that occurs among PVA, PAA, and the CNT–CNC nanohybrids, the membranes present with enhanced water resistance, mechanical strength, and thermal stability. After the surface coating of the PANI shell, the optimized PANI@CNT–CNC/PVA–PAA nanofibrous membranes exhibit a large porosity, an enhanced specific surface area, a superior tensile strength of ∼54.8 MPa, and a favorable electroconductivity of ∼0.44 S m–1. As expected, the nanofibrous electrodes with a specific capacitance of 164.6 F g–1 can maintain 91% of the original capacitance after 2000 cycles. The symmetrical solid-state supercapacitor assembled by the nanofibrous electrodes shows an excellent capacitance of 155.5 F g–1 and a remarkable capacitance retention of 92, 90, and 89% after 2000 cycles under flat, bending, and twisting deformations, respectively.
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