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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(xié)同增強(qiáng)MXene復(fù)合氣凝膠的高性能柔性壓阻傳感器
2022-08-14  來(lái)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(yīng)用于催化、傳感器、廢水處理、電磁屏蔽和儲(chǔ)能等領(lǐng)域。特別是，導(dǎo)電氣凝膠已成為開發(fā)高性能壓阻傳感器的理想材料。它的內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可在其變形時(shí)產(chǎn)生更多的接觸位點(diǎn)，從而改善傳感器的靈敏度。同時(shí)，三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)可以承受較大的形變量，并大大提高傳感器的壓力檢測(cè)范圍。如今，各種導(dǎo)電材料已被開發(fā)成氣凝膠并作為壓阻傳感器進(jìn)行研究。其中，MXene作為一種新興的類石墨烯二維層狀導(dǎo)電納米材料，其優(yōu)異的親水性、高導(dǎo)電性和良好的機(jī)械性能使MXene成為柔性壓力傳感器的理想導(dǎo)電材料。不幸的是，MXene上豐富的表面官能團(tuán)導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步限制了其作為高性能柔性壓阻傳感器的實(shí)際應(yīng)用。


  近日，北京化工大學(xué)潘凱/趙彪課題組在期刊《Chemical Engineering Journal》上報(bào)道了一種通過(guò)液氮輔助定向冷凍策略制造的輕質(zhì)靜電紡醋酸纖維素（CA）納米纖維/海藻酸鈉（SA）協(xié)同增強(qiáng)的MXene復(fù)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(xué)材料學(xué)院為論文唯一完成單位。 


  強(qiáng)界面相互作用對(duì)于提高MXene氣凝膠的穩(wěn)定性至關(guān)重要。CA是一種廉價(jià)且易于獲得的人造樹脂，可以通過(guò)靜電紡絲大規(guī)模加工成納米纖維。同時(shí)，富含-OH基團(tuán)的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(guò)氫鍵與MXene納米片表面的-OH基團(tuán)緊密結(jié)合。此外，水溶性天然多糖SA還可作為強(qiáng)大的物理交聯(lián)劑進(jìn)一步優(yōu)化MXene納米片與CA納米纖維之間的相互作用，從而構(gòu)筑出機(jī)械性能優(yōu)異的MXene復(fù)合氣凝膠材料。 


圖1. MXene復(fù)合氣凝膠的制備流程示意圖


  得益于其獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該氣凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，其抗壓強(qiáng)度高達(dá)16 kPa，遠(yuǎn)高于單組分和雙組分的MXene氣凝膠，證實(shí)了CA納米纖維和SA對(duì)MXene 納米片的協(xié)同增強(qiáng)作用。氣凝膠的壓縮變形過(guò)程大致可分為兩個(gè)階段：（1）氣凝膠內(nèi)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(wěn)定，可以有效分散壓縮過(guò)程中的應(yīng)力。 


圖2. MXene復(fù)合氣凝膠的機(jī)械性能


  重要的是，通過(guò)MXene復(fù)合氣凝膠組裝制備的柔性壓阻傳感器在高達(dá)21.78 kPa的寬壓力范圍內(nèi)具有高達(dá)114.55 kPa-1的靈敏度，并且可以承受超過(guò)24000次循環(huán)按壓。所制備的柔性壓阻傳感器不僅可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各種人類活動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且還可開發(fā)為一種無(wú)線設(shè)備來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)傳輸。 


圖3. MXene復(fù)合氣凝膠的壓阻性能


  這種簡(jiǎn)單有效的MXene復(fù)合氣凝膠制備方法克服了傳統(tǒng)MXene氣凝膠在反復(fù)壓縮下容易塌陷的缺陷。通過(guò)納米纖維、海藻酸鈉、MXene三者的協(xié)同復(fù)合，能夠獲得具有超高靈敏度和寬壓力檢測(cè)范圍的新型柔性壓阻材料。簡(jiǎn)單的制備工藝和優(yōu)異的壓阻性能使它在智能可穿戴傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。


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

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