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天津科技大学在多功能气凝胶领域取得研究进展
2023-05-24 16:07:00
天津科技大学

  近日,天津科技大学轻工科学与工程学院司传领教授团队及其合作者,针对MXene气凝胶导电性能和力学性能较差的问题,提出利用纤维素纳米纤维(CNF)与MXene的氢键协同作用,基于双向冻结的方法构建了具有工程仿生结构的多功能、高导电以及超弹性CNF/CNT/MXene气凝胶,相关论文以题为“Nanocellulose‑Assisted Constructionof Multifunctional MXene‑Based Aerogelswith Engineering Biomimetic Texture for PressureSensor and Compressible Electrode”发表在材料科学领域顶级期刊《Nano-Micro Letters》上,并被期刊遴选为封面文章(Cover Story,图1)。该论文第一作者为天津科技大学轻工科学与工程学院教师徐婷,通讯作者为司传领,天津科技大学为第一作者和通讯作者单位,美国及德国合作者参与了部分工作。

【图1. 论文被遴选为Nano-Micro Letters期刊封面文章(Cover Story)】

  MXene气凝胶可通过直接冷冻干燥或超临界干燥得到,然而,由表面官能团(-O,-OH,-F等)产生的相对较弱的静电排斥相互作用不能有效平衡MXene纳米片平面间强范德华相互作用,这使得在气凝胶制备过程中,MXene纳米片不可避免地开始聚集和重新堆积。紧凑的自堆积结构阻碍了三维框架中的电子传输和应力传递,导致导电性能和力学性能较差。而且,基于MXene气凝胶的多功能平台的开发还处于起步阶段,有效的结构设计对于构建功能碳气凝胶具有重要意义。

【图2. (a)CNF/CNT/MXene气凝胶制备示意图;(b)放置在蒲公英顶部的轻质CNF/CNT/MXene气凝胶的照片;(c)MXene和不同CNF/CNT/MXene气凝胶的FTIR及(d)XRD图谱】

  基于以上考虑,此研究以天然木材的层次化管胞状结构为灵感,将具有绿色环保特性、大长径比以及丰富的含氧官能团的CNF作为功能材料的组分,采用双向冻结的方法制备了具有工程仿生结构的多功能CNF/CNT/MXene气凝胶,展示出优异的机械强度和高导电性(图2)。首先,CNF与MXene之间的静电斥力可避免MXene纳米片的堆叠;其次,缠绕的CNF与CNT作为“砂浆”与管胞结构的MXene“砖块”结合可产生良好的界面相互作用;再者,有序的工程结构可有效实现电子传输和应力传递。复合气凝胶作为应变传感器电极,具有高达817.3 kPa-1的线性灵敏度,在人体运动和生理监测方面具有广阔的应用前景(图3)。此外,CNF/CNT/MXene气凝胶可用于固态可压缩超级电容器,并表现出显著的电化学性能,包括高比电容(849.2 mF cm-2),优异的循环稳定性(10000次循环后电容保留率为88%)和良好的机械灵活性。

【图3. (a)相对电流的变化与压力传感器线性灵敏度的关系;(b)20%-80%不同压缩应变下的电流响应;(c)电流稳定性在20%应变2000循环;(d)应用于人类行为监测的图解;电流信号来自(e)肘部摆动,(f)手腕弯曲,(g)正常工作,(h)手指接触】

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