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北化潘凱/趙彪課題組 CEJ:基于納米纖維/海藻酸鈉協同增強MXene復合氣凝膠的高性能柔性壓阻傳感器
2022-08-14  來源:高分子科技

  氣凝膠具有高孔隙率和大表面積,已被廣泛應用于催化、傳感器、廢水處理、電磁屏蔽和儲能等領域。特別是,導電氣凝膠已成為開發高性能壓阻傳感器的理想材料。它的內部導電網絡可在其變形時產生更多的接觸位點,從而改善傳感器的靈敏度。同時,三維導電結構可以承受較大的形變量,并大大提高傳感器的壓力檢測范圍。如今,各種導電材料已被開發成氣凝膠并作為壓阻傳感器進行研究。其中,MXene作為一種新興的類石墨烯二維層狀導電納米材料,其優異的親水性、高導電性和良好的機械性能使MXene成為柔性壓力傳感器的理想導電材料。不幸的是,MXene上豐富的表面官能團導致 MXene 納米片之間的弱相互作用和較差的凝膠化能力,這使得MXene難以自組裝成可壓縮的三維網絡,進一步限制了其作為高性能柔性壓阻傳感器的實際應用。


  近日,北京化工大學潘凱/趙彪課題組在期刊《Chemical Engineering Journal》上報道了一種通過液氮輔助定向冷凍策略制造的輕質靜電紡醋酸纖維素(CA)納米纖維/海藻酸鈉SA)協同增強的MXene復合氣凝膠。(Wearable and high-performance piezoresistive sensor based on nanofiber/sodium alginate synergistically enhanced MXene composite aerogel)。趙彪博士和潘凱研究員為該論文通訊作者,北京化工大學材料學院為論文唯一完成單位。 


  強界面相互作用對于提高MXene氣凝膠的穩定性至關重要。CA是一種廉價且易于獲得的人造樹脂,可以通過靜電紡絲大規模加工成納米纖維。同時,富含-OH基團CA分子鏈不僅使納米纖維在水中具有良好的分散性,而且可以通過氫鍵與MXene納米片表面的-OH基團緊密結合。此外,水溶性天然多糖SA還可作為強大的物理交聯劑進一步優化MXene納米片與CA納米纖維之間的相互作用,從而構筑出機械性能優異的MXene復合氣凝膠材料。 


1. MXene復合氣凝膠的制備流程示意圖


  得益于其獨特的內部結構,該氣凝膠展現出優異的機械性能,其抗壓強度高達16 kPa,遠高于單組分和雙組分的MXene氣凝膠,證實了CA納米纖維和SA對MXene 納米片的協同增強作用。氣凝膠的壓縮變形過程大致可分為兩個階段:(1)氣凝膠內部的微孔為其壓縮變形提供了足夠的空間; (2)廣泛嵌入孔壁的納米纖維使氣凝膠骨架更加穩定,可以有效分散壓縮過程中的應力。 


2. MXene復合氣凝膠的機械性能


  重要的是,通過MXene復合氣凝膠組裝制備的柔性壓阻傳感器在高達21.78 kPa的寬壓力范圍內具有高達114.55 kPa-1的靈敏度,并且可以承受超過24000次循環按壓。所制備的柔性壓阻傳感器不僅可用于實現對各種人類活動的實時監控,而且還可開發為一種無線設備來進行實時的信號傳輸。 


3. MXene復合氣凝膠的壓阻性能


  這種簡單有效的MXene復合氣凝膠制備方法克服了傳統MXene氣凝膠在反復壓縮下容易塌陷的缺陷。通過納米纖維、海藻酸鈉、MXene三者的協同復合,能夠獲得具有超高靈敏度和寬壓力檢測范圍的新型柔性壓阻材料。簡單的制備工藝和優異的壓阻性能使它在智能可穿戴傳感領域展現出廣闊的應用前景。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138586

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