基於MXene納米片為納米連接材料制備瞭新型的彈性碳氣凝膠

隨著柔性器件和可穿戴設備的發展,柔性碳材料受到瞭各國研究人員的廣泛關註。盡管目前已發展多種方法獲得具有良好壓縮性、彈性的碳材料,但制備兼具高壓縮、高回彈、抗疲勞、寬范圍線性靈敏度的碳材料仍具很大的挑戰性。

MXene作為一種新型的納米二維片層材料,具有比表面積高、導電性好且機械強度高等優勢,在傳感、能量儲存、電催化和電磁屏蔽等方面具有潛在的應用價值。但是,由於納米片之間缺乏足夠強的相互作用,導致構建具有良好力學性能的MXene宏觀結構材料具有很大的挑戰性。最近,華南理工大學鐘林新等人以MXene(Ti3C2)納米片為骨架材料、細菌纖維素(Bacterial Cellulose;BC)為納米連接材料制備瞭一種新型的彈性碳氣凝膠(圖1)。由於BC具有很高的長/徑比,在冷凍幹燥過程中可通過相互纏繞將MXene片連接形成連續、有序的片層結構。此外,BC之間以及BC和MXene之間的氫鍵作用增加瞭復合氣凝膠的機械性能。由於這些結構特性,該碳氣凝膠不僅具有超高的可壓縮性(壓縮極限為99%,相當於完全壓縮)、彈性與抗疲勞性(50%應變下,循環壓縮100000次後高度保留93.3%,應力保留73.6%),而且具有寬范圍線性靈敏度(應力和應變線性范圍分別為0-10 kPa和0-95%)和對微小形變、微小壓力的超高檢測能力(應力檢測極限為1.0 Pa)。將該碳氣凝膠組裝成簡易電子器件後,可實現對聲帶發聲、關節活動和脈搏跳動等人體生物信號的靈敏檢測,顯示瞭在壓力傳感、可穿戴電子器件等方面具有重要的應用價值。相關論文發表在Chemistry of Materials,陳澤虹為該論文的第一作者,鐘林新、彭新文為共同通訊作者。

基於MXene納米片為納米連接材料制備瞭新型的彈性碳氣凝膠

圖2表明,純MXene碳氣凝膠為無序碎片結構(圖2a),且壓縮性能差(圖2d)。以BC為納米材料連接MXene納米片時,復合碳氣凝膠形成瞭連續、有序的片層結構(圖2c);該結構具有優異的壓縮性能(圖2f),在99%應變下可循環壓縮超過100次,在50%應變下循環壓縮100000後保持原來的高度,表現出瞭優異的可壓縮性和抗疲勞性(圖3)。

基於MXene納米片為納米連接材料制備瞭新型的彈性碳氣凝膠

得益於獨特的片層結構和優異的機械性能,該碳氣凝膠不僅靈敏度高、線性好、線性范圍廣(0-10 Pa線性靈敏度12.5 kPa-1),且對微小應力檢測極限可達1.0 Pa,具有優異的傳感性能(圖4)。組裝成簡易傳感器後可對人體關節活動、發音和脈搏等進行靈敏檢測。

基於MXene納米片為納米連接材料制備瞭新型的彈性碳氣凝膠

文獻鏈接:

Compressible,Elastic,and Pressure-Sensitive CarbonAerogels Derived from 2D Titanium Carbide Nanosheets and Bacterial Cellulosefor Wearable Sensors.Chem.Mater.2019,31,9,3301-3312

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