北化潘凯/赵彪课题组 CEJ：基于纳米纤维/海藻酸钠协同增强MXene复合气凝胶的高性能柔性压阻传感器

2022-08-14 来源：高分子科技

气凝胶具有高孔隙率和大表面积，已被广泛应用于催化、传感器、废水处理、电磁屏蔽和储能等领域。特别是，导电气凝胶已成为开发高性能压阻传感器的理想材料。它的内部导电网络可在其变形时产生更多的接触位点，从而改善传感器的灵敏度。同时，三维导电结构可以承受较大的形变量，并大大提高传感器的压力检测范围。如今，各种导电材料已被开发成气凝胶并作为压阻传感器进行研究。其中，MXene作为一种新兴的类石墨烯二维层状导电纳米材料，其优异的亲水性、高导电性和良好的机械性能使MXene成为柔性压力传感器的理想导电材料。不幸的是，MXene上丰富的表面官能团导致 MXene 纳米片之间的弱相互作用和较差的凝胶化能力，这使得MXene难以自组装成可压缩的三维网络，进一步限制了其作为高性能柔性压阻传感器的实际应用。

近日，北京化工大学潘凯/赵彪课题组在期刊《Chemical Engineering Journal》上报道了一种通过液氮辅助定向冷冻策略制造的轻质静电纺醋酸纤维素（CA）纳米纤维/海藻酸钠（SA）协同增强的MXene复合气凝胶。（Wearable and high-performance piezoresistive sensor based on nanofiber/sodium alginate synergistically enhanced MXene composite aerogel）。赵彪博士和潘凯研究员为该论文通讯作者，北京化工大学材料学院为论文唯一完成单位。

强界面相互作用对于提高MXene气凝胶的稳定性至关重要。CA是一种廉价且易于获得的人造树脂，可以通过静电纺丝大规模加工成纳米纤维。同时，富含-OH基团的CA分子链不仅使纳米纤维在水中具有良好的分散性，而且可以通过氢键与MXene纳米片表面的-OH基团紧密结合。此外，水溶性天然多糖SA还可作为强大的物理交联剂进一步优化MXene纳米片与CA纳米纤维之间的相互作用，从而构筑出机械性能优异的MXene复合气凝胶材料。

图1. MXene复合气凝胶的制备流程示意图

得益于其独特的内部结构，该气凝胶展现出优异的机械性能，其抗压强度高达16 kPa，远高于单组分和双组分的MXene气凝胶，证实了CA纳米纤维和SA对MXene 纳米片的协同增强作用。气凝胶的压缩变形过程大致可分为两个阶段：（1）气凝胶内部的微孔为其压缩变形提供了足够的空间； (2)广泛嵌入孔壁的纳米纤维使气凝胶骨架更加稳定，可以有效分散压缩过程中的应力。

图2. MXene复合气凝胶的机械性能

重要的是，通过MXene复合气凝胶组装制备的柔性压阻传感器在高达21.78 kPa的宽压力范围内具有高达114.55 kPa^-1的灵敏度，并且可以承受超过24000次循环按压。所制备的柔性压阻传感器不仅可用于实现对各种人类活动的实时监控，而且还可开发为一种无线设备来进行实时的信号传输。

图3. MXene复合气凝胶的压阻性能

这种简单有效的MXene复合气凝胶制备方法克服了传统MXene气凝胶在反复压缩下容易塌陷的缺陷。通过纳米纤维、海藻酸钠、MXene三者的协同复合，能够获得具有超高灵敏度和宽压力检测范围的新型柔性压阻材料。简单的制备工艺和优异的压阻性能使它在智能可穿戴传感领域展现出广阔的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138586

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（责任编辑：xu）

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