基于MXene纳米片为纳米连接材料制备了新型的弹性碳气凝胶

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。

基于MXene纳米片为纳米连接材料制备了新型的弹性碳气凝胶

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)。

基于MXene纳米片为纳米连接材料制备了新型的弹性碳气凝胶

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。

基于MXene纳米片为纳米连接材料制备了新型的弹性碳气凝胶

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

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