纤维状能源电极：自支撑石墨烯/碳纳米管复合中空纤维

图1. 自支撑石墨烯/碳纳米管/聚苯胺复合中空纤维的制备过程示意图。

II 石墨烯/碳纳米管(G/CNTs)中空纤维及其复合物的结构表征

图2. 石墨烯/碳纳米管中空纤维及其复合物的结构。(a，b)生长在镍丝表面石墨烯的SEM照片；(c)石墨烯的TEM照片；(d，e)石墨烯表面生长的碳纳米管的SEM照片；(f)镍丝表面生长G/CNTs的SEM照片；(g，h)G/CNT连接处的TEM照片；(i)G/CNTs中空纤维截面SEM照片；(j- l)G/CNTs中空纤维外表面的SEM照片；(m，n)G/CNTs/PANI中空纤维截面SEM照片；(o，p)中空G/CNTs/PANI纤维外(o)、内(p)表面聚苯胺阵列的SEM照片。

III 基于G/CNTs和G/CNTs/PANI中空纤维电极的超级电容器及其性能

图3. 基于G/CNTs和G/CNTs/PANI中空纤维的超级电容器的电化学性能。(a-c)CV曲线(扫描速率为10 mV/s)，GCD曲线(电流密度为0.6 mA/cm²)和Nyquist图(10^-2-10⁵ Hz)；(d)该超级电容器与其它已报道的纤维状超级电容器的能量密度和功率密度对比；(e-g)不同弯曲循环下的超级电容器CV曲线(扫描速率为10 mV/s)，GCD曲线(电流密度为1.0 mA/cm²)和Nyquist图(10^-2-10⁵ Hz)；(h)超级电容器在弯曲循环过程中的容量保持率。

IV 基于G/CNTs/PANI中空纤维的染料敏化太阳能电池及其性能

该G/CNTs/PANI中空纤维不仅可作为高性能超级电容器的电极，也可代替传统的铂丝电极，构建纤维状染料敏化太阳能电池(图4a)，其中，阳极氧化的钛丝(图4b)用于吸附光敏染料分子作为光阳极。通过电极对I^–/I₃^–电解质的催化性能研究(图4c)，G/CNTs/PANI中空纤维的氧化/还原峰电流明显高于石墨烯纤维和G/CNTs纤维，表现出更高的催化活性，这可归因于G/CNTs/PANI中空纤维中含有更多的活性位点。因此，基于G/CNTs/PANI中空纤维的染料敏化太阳能电池也表现出更高的能量转换效率(4.2%)(图4d)，明显优于石墨烯纤维(1.29%)和G/CNTs纤维(2.54%)。

图4. (a)染料敏化太阳能电池工作原理示意图；(b)阳极氧化的钛丝的SEM照片；(c)石墨烯纤维、G/CNTs纤维及G/CNTs/PANI纤维在I^–/I₃^–电解质中CV曲线(50 mV/s)；(d)基于石墨烯纤维、G/CNTs纤维及G/CNTs/PANI纤维电极的纤维状染料敏化太阳能电池J-V曲线。

V 纤维状染料敏化太阳能电池和超级电容器集成器件及其性能

以G/CNTs/PANI中空纤维作为共用电极所制备的纤维状染料敏化太阳能电池和超级电容器集成器件(图5a)，在一个太阳光照下，超级电容器可被快速充电到0.61 V(图5b)，接近染料敏化太阳能电池的开路电压，经计算，该集成器件总的能量转换与存储效率为2.1%。通过简单的串联(5个器件)，可以将集成器件的工作电压提高至3.0 V (图5c，d)，从而满足更高电压需求的柔性、可穿戴电子器件的应用需求。

图5. (a)基于G/CNTs/PANI中空纤维电极的染料敏化太阳能电池和超级电容器集成器件的结构示意图；(b)集成器件的光充电和恒电流放电曲线；(c)五个纤维状染料敏化太阳能电池串联的J-V曲线(黑色)和电压-功率曲线图(蓝色)；(d)五个纤维状集成器件串联后的光充电曲线。