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  南京大學化學化工學院金鐘教授和劉杰教授共同帶領的“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展，相關研究成果以“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)境危機已經成為人類社會關注的重要問題，因此設計綠色高效的能源采集和存儲器件是非常重要的。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，但是傳統的能源器件結構已經難以有效滿足可穿戴設備微型化、便攜化、集成化的發(fā)展需求。與傳統的平面狀能源器件相比，纖維狀能源器件質量更輕、柔性更好、集成度更高，同時可以像高分子纖維一樣，通過紡織技術進行大規(guī)模應用，從而滿足可穿戴設備和各種便攜式電子設備的應用需求。

  金鐘和劉杰教授課題組以新型二維材料（MoS₂）為設計思路，以碳納米纖維材料為基礎，制備出多功能的CF@TiO₂@MoS₂同軸納米復合纖維，該纖維在太陽能電池、超級電容器、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同軸纖維的結構及其在染料敏化太陽能電池（DSSC），超級電容器（supercapacitor），鋰離子電池（LIB），氫析出反應（HER）等方面的應用。

  在纖維狀太陽能電池和超級電容器的研究基礎上，該團隊采用該復合纖維電極構筑了纖維狀光電轉換與能源存儲一體化集成器件（圖2）。在我們設計的自供電纖維狀能源器件中，能源采集和能源存儲單元共享同一根纖維電極，通過簡單且低成本的方法，在單個纖維器件上同時實現“光-電-電化學”能源采集和存儲，并且具有高效率、耐彎折、可編織等優(yōu)點（圖3）。該自供電器件的太陽能電池部分的光電轉換效率達到了9.5%，是目前世界上已發(fā)表文獻中纖維狀太陽能電池效率的最高記錄。在太陽光照條件下，該器件的超級電容器部分能夠實現僅需7秒鐘的快速充電（圖4）。本項目在柔性可穿戴自供電能源系統中邁出了關鍵一步，為發(fā)展下一代先進能源器件提供了新思路。

圖2. 利用單根CF@TiO₂@MoS₂同軸纖維電極實現DSSC、supercapacitor、LIB或HER等應用的示意圖。

圖3.（a）基于同軸纖維電極的DSSC器件結構示意圖。（b）工作電極表面微觀結構。（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物。

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

  該研究工作得到了國家青年千人計劃、973計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等項目的資助。