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基于纤维的超级电容器（FSC）因其高可穿戴性、可变形的能源供应和安全稳定性，吸引了可穿戴应用和智能社会的广泛关注。然而，由于纤维低孔隙度、活性位置和电荷转移，FSC 的容量和速率能力均不理想。本文报告了一种新型异结构碳涂层管状氮化碳嵌石墨烯纤维（CTg-C3N4@GF），用于高性能 FSCs。CTg-C3N4@GF 电极具有超高面积电容（3,648 mF cm−2）和速率能力（50 mA cm−2 时为 2,488 mF cm−2）。此外，组装后的固态 FSC 还能提供高能量密度（296.2 μWh cm−2）、循环稳定性和可穿戴能源供应应用（为时钟和可穿戴星光供电）。高性能的关键在于碳涂层的电子转移;氮物质产生丰富的活性位点，以及中空纳米管增强运输途径，实现高离子吸收能力、低离子扩散障碍、提升电导率、快速电荷转移动力学以及优异的电化学可逆性。

创新点

1.本研究在材料结构设计上实现了多重创新，通过构建“碳涂层管状氮化碳嵌石墨烯纤维”这一异质复合结构，巧妙地将碳材料的高导电性、氮化碳的丰富活性位点以及中空纳米管的快速传质优势集成于单一纤维电极之中，从而突破了传统纤维电极材料性能瓶颈。

2.该工作的核心性能突破在于，所制备的CTg-C3N4@GF电极在面电容与倍率性能上取得了显著提升，其超高面积电容及在高电流密度下保持优异电容的能力，直接验证了异质结构设计与多组分协同效应的有效性，为高性能纤维储能器件设立了新的标杆。

3.从作用机理层面看，研究清晰地阐明了“碳涂层促进电子转移”、“氮物种提供活性位点”与“中空管结构优化离子传输”这三者之间的协同机制，此系统性的构效关系分析为后续定向优化电极材料提供了明确的理论依据和设计思路。

对科研工作的启发

1.该项研究为解决纤维电极普遍存在的孔隙度低、活性位点不足和电荷转移缓慢等共性问题提供了极具参考价值的解决方案，即通过精妙的微观结构工程与多功能材料的复合，能够在不牺牲力学与柔性性能的前提下，全方位提升电化学性能。2.它启发研究者未来在开发新型纤维电极时，可超越单一材料的局限，致力于设计具有明确分工的异质界面与多级孔道结构，从而同步改善离子吸附、扩散与电子传导等多个动力学过程，实现整体器件性能的跃升。

3.工作所展示的从材料设计、性能表征到机理分析的系统研究方法，强调了对“结构-性能-机制”链条的深入挖掘，这种研究范式对于其他储能体系或功能纤维的开发同样具有重要的借鉴意义。

思路延伸

1.该异质结构的设计理念可进一步延伸至其他一维储能材料体系，例如，可将不同的二维材料或金属氧化物与导电纤维基底进行类似的复合与结构塑造，以探索更多具有卓越性能的纤维电极材料家族。

2.研究思路可扩展到构建更为复杂的多功能纤维器件，例如将此种高性能纤维电极与传感、驱动或信息显示单元集成，发展出自供能、可穿戴的一体化智能系统，推动电子织物向更高集成度迈进。

3.从规模化制备角度思考，未来研究可聚焦于如何将此种精巧的微观结构通过可放大的工艺（如连续化纺丝或涂层技术）实现稳定制备，这是其从实验室走向实际应用不可或缺的关键一步。

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Heterostructured Carbon-Coated Carbon Nitride Hollow Nanotubes Hybrid Microfibers for Ultra-High Capacity/Rate Wearable Energy Storage

Pub Date : 2026-01-04

DOI: 10.1002/adfm.202529151

Jiahui Li,  Haowei Hu,  Zhiyuan Xu,  Kaile Jin,  Xiaolin Zhu,  Zengming Man, Chao Yang,  Yuanyuan Lü,  Guan Wu