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  石墨烯氣凝膠作為一種三維多孔結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比表面積大、導(dǎo)電、孔隙率高等優(yōu)點，在能量的儲存與轉(zhuǎn)換、催化劑載體材料、壓阻材料、環(huán)境修復(fù)材料等方面應(yīng)用廣泛。作為壓阻式傳感材料，傳統(tǒng)的石墨烯氣凝膠的強(qiáng)度低，壓縮時其多孔結(jié)構(gòu)容易被破環(huán)，這對其壓縮性能和壓阻性能都會產(chǎn)生不利影響。

  北京化工大學(xué)潘凱教授團(tuán)隊借鑒建筑材料“加筋”增強(qiáng)增韌的方法，在制備石墨烯氣凝膠時引入納米纖維，通過對靜電紡絲聚丙烯腈（PAN）納米纖維進(jìn)行預(yù)處理，之后采用冷凍干燥法將其和氧化石墨烯共同制備出具有“多層結(jié)構(gòu)+孔結(jié)構(gòu)+納米纖維”多級結(jié)構(gòu)的納米纖維/石墨烯氣凝膠（aPANF/GA）。制備過程如圖1所示，制備過程中，預(yù)處理得到的納米纖維（aPAN）表面粗糙，且引進(jìn)部分含氧官能團(tuán)，這些變化有益于aPAN納米纖維和氧化石墨烯片的相互作用，使兩者之間結(jié)合的更加牢固。

圖1 納米纖維/石墨烯氣凝膠的制備流程。

  aPANF/GA獨特的“多層結(jié)構(gòu)+孔結(jié)構(gòu)+納米纖維”多級結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的壓縮性能。aPANF/GA被壓縮后可以迅速回復(fù)至初始高度，對比壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)在相同壓縮應(yīng)變下，aPANF/GA的壓縮應(yīng)力高于PAN納米纖維/石墨烯氣凝膠和石墨烯氣凝膠，且aPANF/GA的壓縮應(yīng)力會隨著納米纖維含量的增加而增加，最高可達(dá)43.54 kPa（壓縮應(yīng)變?yōu)?0%）。圖2展示了aPANF/GA的多級結(jié)構(gòu)，aPANF/GA的3D網(wǎng)絡(luò)骨架由aPAN納米纖維和還原氧化石墨烯片（rGO）共同組成。其中多層結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)為aPANF/GA提供充足的壓縮空間，由aPAN納米纖維和rGO構(gòu)成的孔壁和孔間的納米纖維使aPANF/GA被壓縮后可以迅速回復(fù)至初始狀態(tài)，而“葉脈狀”的單層結(jié)構(gòu)也有益于aPANF/GA的壓縮性能。

圖2 納米纖維/石墨烯氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)：（a，d，g）多層結(jié)構(gòu)及納米纖維。（b，e，h）孔結(jié)構(gòu)及孔壁。（c，f，i）片層連接處及單層結(jié)構(gòu)。

  這種獨特多層結(jié)構(gòu)也為aPANF/GA帶來了優(yōu)異的壓阻性能，在不同的外力作用下aPANF/GA輸出的電流信號穩(wěn)定，壓縮/回復(fù)循環(huán)2600次后，電流保持率為91.57%。在0-14 kPa應(yīng)變范圍內(nèi)，靈敏度呈線性關(guān)系，數(shù)值為28.62 kPa^-1。檢測限度低于3 Pa，最快的響應(yīng)時間為37 ms、回復(fù)時間為14 ms。將aPANF/GA作為傳感材料組成為壓阻傳感裝置并貼在人體不同部位，可以檢測到吞咽、發(fā)音、脈搏或關(guān)節(jié)部位的動作。

圖3 納米纖維/石墨烯氣凝膠基壓阻傳感器對人體不同部位動作的監(jiān)測信號。

  研究者認(rèn)為，該方法簡單有效，能夠顯著提升石墨烯氣凝膠的機(jī)械性能并推向可實際應(yīng)用場景，可以發(fā)展為一種普適的增強(qiáng)二維材料氣凝膠的方法，同時通過改變納米纖維的材質(zhì)和尺寸，還有望獲得其他的特性。以上成果發(fā)表在Advance Functional Materials（Adv. Funct. Mater. 2020, 2003618）上，論文的第一作者為北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生曹雪媛，通訊作者為潘凱教授，其他合作者包括北京化工大學(xué)本科生陳思維，澳大利亞Deakin大學(xué)的張娟博士和Russell John Varley教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202003618