随着可穿戴设备和便携式电子产品的普及，对高性能、柔性能源存储材料的需求日益增加。MXene量子点（MQDs）因其优异的赝电容特性和良好的电导率，成为提升电极性能的重要材料。

近期，北京服装学院张梅副教授团队提出了一种同轴微流体纺丝工艺，利用碳酸氢铵溶液为芯层，石墨烯氧化物与MQDs复合物作为鞘层，制备出具有分层多孔结构的MXene量子点/石墨烯复合纤维（MQDs@PGF）。这种复合纤维不仅具备丰富的离子通道和较大的比表面积，还能有效提高能量密度，适用于高性能纤维型超级电容器，为可穿戴设备提供了新的能源解决方案。相关研究以“Hierarchical Porous MXene QDs/Graphene Composite Fibers for High-Performance Supercapacitors”为题发表于期刊《ACS Applied Energy Materials》。

本文要点：

1、采用同轴微流控纺丝技术，以碳酸氢铵溶液为芯流，氧化石墨烯和MXene量子点（MQDs）复合纺丝分散液为鞘流，制备分级多孔MQDs/石墨烯复合纤维（MQDs@PGF）。

2、将0D MQDs作为电化学活性材料嵌入石墨烯纳米片中，碳酸氢铵溶液作为发泡剂，实现了微-中-大孔的分级多孔结构和大比表面积（68.8 m² g^-1），大大缩短了离子扩散通道，提供了更多的电化学活性位点。

3、组装的纤维型超级电容器（MQDs@PGF FSCs）具有1288 mF cm^-2的高比面积电容，9000次循环后的电容保持率高达95%。

4、MQDs@PGF FSCs在0-2.5 V的宽工作电压窗口下实现了147.5 μWh cm^-2的优异能量密度，并成功为小型电子设备供电。

MXene量子点/石墨烯复合纤维（MQDs@PGF）的制备步骤如下：

1、制备MXene量子点（MQDs）

• 将2 g氟化锂（LiF）加入40 mL的9 M盐酸溶液中，搅拌30分钟。

• 缓慢加入Ti₃AlC₂粉末，在35°C下保持反应24小时，通过离心分离得到MXene（Ti₃C₃T_x）分散液，并将其清洗至pH值达到6-7。

• 将得到的MXene分散液超声4小时，制备出尺寸均匀（1-3 nm）的MXene量子点（MQDs）。

2、制备MQDs/GO复合纺丝液

• 将5 g碳酸氢铵（NH₄HCO₃）溶解于5 mL去离子水中，制备核心溶液。

• 将15 mg/g的GO水分散液与10 mg/mL的MQDs分散液按10%的质量分数混合，磁力搅拌30分钟形成均匀的复合纺丝液（MQDs/GO混合液），作为鞘流。

3、同轴微流体纺丝

• 使用同轴微流体纺丝设备，分别以200 mL/h和8 mL/h的流速，将芯流和鞘流注入到25% CaCl₂/乙醇/去离子水凝固浴中。此过程中，Ca²⁺与功能基团发生离子键交联，进一步稳定纤维结构。

4、还原与后处理

• 完成纺丝后，将所得纤维置于氢碘酸（HI）溶液中，在100°C下还原8小时。

• 还原后，使用无水乙醇和去离子水清洗纤维，并在室温下干燥。

MXene量子点（MQDs）的引入在电极设计中起到了什么关键作用？

1、提高赝电容性能：MQDs具有高赝电容特性，能显著增强复合材料的电化学反应能力，提高电极的能量储存性能。

2、改善结构与电荷传输：通过物理插层作用，MQDs嵌入石墨烯层间，增加了片层间距，减缓了二维材料的堆叠效应，从而降低电荷传输阻力并提升导电性。

3、优化孔隙分布与离子扩散：MQDs的引入与化学发泡相结合，形成了微-中-大孔的分级多孔网络结构，不仅提高了比表面积（68.8 m² g^-1），还有效缩短了离子扩散路径，提升了离子传输效率。

4、增强机械柔性：MQDs与石墨烯的协同作用赋予复合纤维优异的机械柔性，使其在反复弯曲条件下性能保持稳定，可满足可穿戴设备对柔性能源材料的需求。

综上所述，MQDs通过结构和化学性能的多重优化，为高性能、柔性化电极设计提供了重要支持。

图1.MQDs@PGF制备示意图。

图2.（a,b）GF、（c,d）PGF-10和（e,f）PGF-15的表面SEM图像。（g）在H₂SO₄/PVA凝胶电解质中，GF、PGF-10和PGF-15在0.2mA/cm²下的GCD曲线和（h）在10mV/s下的CV曲线。

图3.（a）GO片、（b）MXene片和（c,d）MQDs的TEM。（e,f）MQDs@PGF表面和（g,h）横截面的SEM图像；（i-l）MQDs@PGF的EDS映射。

图4.（a）MQDs@PGF、PGF-15、Ti₃C₂T_x薄膜和Ti₃AlC₂粉末的XRD图谱。（b）MQDs@PGF的孔径分布和氮气吸附-解吸曲线。（c-f）MQDs@PGF的XPS图谱。

图5.PGF-15和MQDs@PGF组装纤维基超级电容器在H₂SO₄/PVA凝胶电解质中的电化学性能。（a）MQDs@PGF的GCD曲线和（d）CV曲线。（b）PGF-15和MQDs@PGF的GCD曲线、（c）比面积电容、（e）CV曲线和（f）EIS曲线。

图6.PGF-15和MQDs@PGF组装纤维基超级电容器的电化学性能。（a）MQDs@PGF FSCs的GCD曲线和（e）CV曲线。（b）PGF-15和MQDs@PGF的GCD曲线，（c）比面积电容，（d）能量密度比较，（f）CV曲线。

图7.（a）9000次循环后MQDs@PGF FSCs的电容保持率以及最后10次循环的GCD曲线。（b）与其他纤维基超级电容器相比MQDs@PGF FSCs的能量密度和功率密度图。（c）弯曲0、45、90、135和180°的MQDs@PGF FSCs在100mV/s下的CV曲线，以及五个MQDs@PGF FSCs串联为（d）定时器和（e）闹钟供能的照片。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsaem.4c02481