一种新型的弹性碳气凝胶材料

随着柔性器件和可穿戴设备的发展，柔性碳材料受到了各国研究人员的广泛关注。尽管目前已发展多种方法获得具有良好压缩性、弹性的碳材料，但制备兼具高压缩、高回弹、抗疲劳、宽范围线性灵敏度的碳材料仍具很大的挑战性。

MXene作为一种新型的纳米二维片层材料，具有比表面积高、导电性好且机械强度高等优势，在传感、能量储存、电催化和电磁屏蔽等方面具有潜在的应用价值。但是，由于纳米片之间缺乏足够强的相互作用，导致构建具有良好力学性能的MXene宏观结构材料具有很大的挑战性。

最近，华南理工大学钟林新等人以MXene (Ti3C2)纳米片为骨架材料、细菌纤维素（Bacterial Cellulose; BC）为纳米连接材料制备了一种新型的弹性碳气凝胶（图1）。由于BC具有很高的长/径比，在冷冻干燥过程中可通过相互缠绕将MXene片连接形成连续、有序的片层结构。此外，BC之间以及BC和MXene之间的氢键作用增加了复合气凝胶的机械性能。由于这些结构特性，该碳气凝胶不仅具有超高的可压缩性（压缩极限为99%，相当于完全压缩）、弹性与抗疲劳性（50%应变下，循环压缩100000次后高度保留93.3％，应力保留73.6%），而且具有宽范围线性灵敏度（应力和应变线性范围分别为0-10 kPa和0-95%）和对微小形变、微小压力的超高检测能力（应力检测极限为1.0 Pa）。将该碳气凝胶组装成简易电子器件后，可实现对声带发声、关节活动和脉搏跳动等人体生物信号的灵敏检测，显示了在压力传感、可穿戴电子器件等方面具有重要的应用价值。

相关论文发表在Chemistry of Materials，陈泽虹为该论文的第一作者，钟林新、彭新文为共同通讯作者。

图1 弹性碳气凝胶的制备流程图

图2表明，纯MXene碳气凝胶为无序碎片结构（图2a），且压缩性能差（图2d）。以BC为纳米材料连接MXene纳米片时，复合碳气凝胶形成了连续、有序的片层结构（图2c）；该结构具有优异的压缩性能（图2f），在99%应变下可循环压缩超过100次，在50%应变下循环压缩100000后保持原来的高度，表现出了优异的可压缩性和抗疲劳性（图3）。

图2 碳气凝胶的形貌、力学性能和结构示意图。(a-c) C-MX, C-BC和C-MX/BC-2的扫描电镜图；(d-f) C-MX, C-BC和C-MX/BC-2的压缩性能图；(g和h) C-MX和C-BC的压缩结构示意图；(i) C-MX/BC-2的可逆压缩结构示意图。

图3 C-MX/BC-2的高压缩和抗疲劳性。(a)不同应变下的应力-应变曲线；(b) 95%应变下循环压缩300次的应力-应变曲线；(c) 99%应变下循环压缩100次的应力-应变曲线；(d) 50%应变下循环压缩100000次的应力-应变曲线；(e) 50%应变下循环压缩100000次的应力保留对比图；(f) 50%应变持续压缩15天的应力-应变曲线；(g-j) 50%应变下循环压缩5000和100000次后的扫描电镜图。

得益于独特的片层结构和优异的机械性能，该碳气凝胶不仅灵敏度高、线性好、线性范围广（0-10 Pa线性灵敏度12.5 kPa-1），且对微小应力检测极限可达1.0 Pa，具有优异的传感性能（图4）。组装成简易传感器后可对人体关节活动、发音和脉搏等进行灵敏检测。

图4 C-MX/BC-2的灵敏度和传感应用。(a) 1000次循环后的归一化电阻R/R0；(b) 宽范围的线性灵敏度；(c) 微小应力的检测；(d) 传感器件的组装；(e) 人体声带信号的检测；(f) 手指弯曲的电流响应；(g和h) 人体脉搏的电流响应；(i) 电流响应和恢复时间。

文献链接：

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

来源：高分子科学前沿

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