Nanoconfined and Chemically Bonded MnO@Mn 2 O 3 Heterojunctions Within Carbon Nanotubes for Fibrous Supercapacitor with Ultra‐Long Cycle Stability

材料科学 碳纳米管 超级电容器 X射线光电子能谱 氧烷 化学工程 异质结 纳米技术 复合材料 电容 电极 光谱学 光电子学 物理化学 工程类 物理 量子力学 化学
作者
Juan Zhang,Rui Gao,Xiaona Yang,Qianyi Ma,Haoze Zhang,Weinan Zhao,Qingli Xu,Aixi Pan,Xinyi Chen,Jian Wang,Ning Chen,Xinhou Wang,Aiping Yu,Kun Zhang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (24) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/adfm.202418734
摘要

Abstract Carbon‐based fibrous supercapacitors (FSSCs) are promising power sources for wearable electronics, often compounding with transition metal oxides (TMOs) to improve energy density. However, conventional methods introducing TMOs onto exterior surfaces of carbon‐based fibers typically degrade electrical transport and cycle stability. Herein, nanoconfined MnO@Mn 2 O 3 heterojunctions within carbon nanotube (CNT) (MOIC) composite FSSCs stabilized by Mn─O─C bonds, exhibiting record cycle stability with 95.7% capacitance retention after 10 000 cycles and 89.4% after 50 000 cycles are reported. X‐ray absorption near edge structure (XANES), X‐ray diffraction, and X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses confirm MnO@Mn 2 O 3 heterostructure, which arises through a partial phase transformation from MnO to Mn 2 O 3 , as further supported by density functional theory calculations. Mn─O─C chemical bonds, as verified through XPS, extended X‐ray absorption fine structure, and XANES analyses, facilitate 3D electron transport, enabling MOIC composite fiber superior electrical conductivity than CNT fiber. The nanoconfinement of Mn 2+ within CNTs, driven by capillary effects and electrostatic repulsion between protonated CNTs and Mn 2+ , preserves the clean exterior surfaces of CNTs. This configuration enables the successful wet‐spinning of MOIC composite fibers with three times the tensile strength of fibers without nanoconfinement. This work opens new pathways for designing carbon/metal oxide hybridized supercapacitors for wearable energy storage applications.
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