三维多孔MXene气凝胶因其重量轻、导电性高、机械柔韧性好等优异的特性，在传感器、电子皮肤、可穿戴设备、隔热、能量转换等领域具有广泛的应用前景。然而，单纯的MXene气凝胶力学性能较差，难以适用于实际，并且在不断变化的环境条件下同时保持超弹性和优异的压阻效应仍然是一个挑战。首先合成的气凝胶的机械性能是其作为可靠以及耐久的传感器的基本要求。再者材料的选取以及多尺度对气凝胶进行设计使气凝胶传感器具有良好的传导性能，耐久性，高低频检测性能等机电响应性能，并且实现了疏水和高低温环境下稳定的附加功能。

  在此, 中国科学院福建物质结构研究所官轮辉研究员团队以海藻酸钠(SA)为MXene纳米片的粘结剂，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为补强剂，制备了具有高导电性、优异的回弹性、可靠的隔热性能和良好的疏水性的SA/MXene/PDMS (SMP)复合气凝胶。MXene纳米片与SA之间的相互作用增强了气凝胶的3D网络框架。采用改进的定向冷冻法制备的具有层-支网络结构的气凝胶具有重量轻、灵敏度高(37.43- kPa-1)、显著的可逆性压缩(70%)和优异的抗疲劳性能(60000次循环)等特点。基于SMP复合气凝胶的压阻式传感器可以快速响应压力/应变信号，可进一步用于人体运动监测、和人体健康监测。此外，该MXene气凝胶传感器可以检测低到高频的振动信号（0.5-900Hz），使其在旋转机械速度检测、悬臂梁振动检测、悬臂梁的无损检测以及其他工程应用中发挥作用。由于其层状孔隙结构和PDMS的辅助，气凝胶还具有较大的水接触角(119°)和极端的环境适应性(-40至80℃)，使其更能适用于实际应用。

【SA/MXene/PDMS (SMP)气凝胶的合成表征与机械性能】

图1. SA/MXene/PDMS (SMP)气凝胶的合成与机械性能。

【SMP气凝胶的机电响应性能】

图2. SA/MXene/PDMS (SMP)气凝胶的机电响应特性。

【SMP气凝胶传感器的多功能应用】

图4. SA/MXene/PDMS (SMP)气凝胶的人体健康监测应用以及电子皮肤应用。

【SA/MXene/PDMS (SMP)气凝胶的环境稳定性】

图5. SA/MXene/PDMS (SMP)气凝胶的环境稳定性。

  综上所述，采用双梯度冷冻铸造和冷冻干燥的方法制备了层状、轻质、导电的SMP气凝胶。该气凝胶不仅具有0.05g cml的低体积密度，而且具有优异的压缩回弹性(70%应变)。使用该气凝胶构建的压阻式传感器在高达50 kPa的宽压力范围内表现出令人印象深刻的压力灵敏度(37.4 kPa)和应变GF值(435)，在超过60,000次循环测试后具有出色的稳定性。由于碳基导电材料的频率响应特性，该传感器可以检测从低到高频(0.5 ~ 900 Hz)的振动信号。可用于实现人体运动的实时监测和健康疾病诊断。同时也可用于工程结构的振动检测和设备的无损检测。此外，气凝胶独特的内部层-分支多孔结构，加上PDMS的引入，提供了出色的隔热和疏水性(水接触角119，使其能够承受高低温操作环境(-40至80℃)。凭借这些特点，这种气凝胶在各种领域显示出巨大的潜力，包括可穿戴设备，电子皮肤和工程应用等。

  该研究以题为“Multifunctional, Superelastic, and Environmentally Stable Sodium Alginate/MXene/Polydimethylsiloxane Aerogels for Piezoresistive Sensor”的论文发表在《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者是福州大学机械学院-中科院福建物构所联合培养博士韩松久。通讯作者为中科院福建物构所的黄建仁博士和官轮辉研究员。

  该工作得到国家自然科学基金的资助。福州大学机械学院杨晓翔教授对该研究提供了帮助和指导。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144551

  官轮辉研究员课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/Guan_lunhui