北化大潘凯教授团队《AFM》：1D+2D纳米材料协同制备强韧3D石墨烯气凝胶用于压阻式传感器

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石墨烯气凝胶作为一种三维多孔结构材料，具有密度低、比表面积大、导电、孔隙率高等优点，在能量的储存与转换、催化剂载体材料、压阻材料、环境修复材料等方面应用广泛。作为压阻式传感材料，传统的石墨烯气凝胶的强度低，压缩时其多孔结构容易被破环，这对其压缩性能和压阻性能都会产生不利影响。

北京化工大学潘凯教授团队借鉴建筑材料“加筋”增强增韧的方法，在制备石墨烯气凝胶时引入纳米纤维，通过对静电纺丝聚丙烯腈（PAN）纳米纤维进行预处理，之后采用冷冻干燥法将其和氧化石墨烯共同制备出具有“多层结构+孔结构+纳米纤维”多级结构的纳米纤维/石墨烯气凝胶（aPANF/GA）。制备过程如图1所示，制备过程中，预处理得到的纳米纤维（aPAN）表面粗糙，且引进部分含氧官能团，这些变化有益于aPAN纳米纤维和氧化石墨烯片的相互作用，使两者之间结合的更加牢固。

图1 纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备流程。

aPANF/GA独特的“多层结构+孔结构+纳米纤维”多级结构使其具有优异的压缩性能。aPANF/GA被压缩后可以迅速回复至初始高度，对比压缩应力应变曲线，发现在相同压缩应变下，aPANF/GA的压缩应力高于PAN纳米纤维/石墨烯气凝胶和石墨烯气凝胶，且aPANF/GA的压缩应力会随着纳米纤维含量的增加而增加，最高可达43.54 kPa（压缩应变为80%）。图2展示了aPANF/GA的多级结构，aPANF/GA的3D网络骨架由aPAN纳米纤维和还原氧化石墨烯片（rGO）共同组成。其中多层结构和孔结构为aPANF/GA提供充足的压缩空间，由aPAN纳米纤维和rGO构成的孔壁和孔间的纳米纤维使aPANF/GA被压缩后可以迅速回复至初始状态，而“叶脉状”的单层结构也有益于aPANF/GA的压缩性能。

图2 纳米纤维/石墨烯气凝胶的微观结构：（a，d，g）多层结构及纳米纤维。（b，e，h）孔结构及孔壁。（c，f，i）片层连接处及单层结构。

这种独特多层结构也为aPANF/GA带来了优异的压阻性能，在不同的外力作用下aPANF/GA输出的电流信号稳定，压缩/回复循环2600次后，电流保持率为91.57%。在0-14 kPa应变范围内，灵敏度呈线性关系，数值为28.62 kPa^-1。检测限度低于3 Pa，最快的响应时间为37 ms、回复时间为14 ms。将aPANF/GA作为传感材料组成为压阻传感装置并贴在人体不同部位，可以检测到吞咽、发音、脉搏或关节部位的动作。

图3 纳米纤维/石墨烯气凝胶基压阻传感器对人体不同部位动作的监测信号。

研究者认为，该方法简单有效，能够显著提升石墨烯气凝胶的机械性能并推向可实际应用场景，可以发展为一种普适的增强二维材料气凝胶的方法，同时通过改变纳米纤维的材质和尺寸，还有望获得其他的特性。以上成果发表在Advance Functional Materials（Adv. Funct. Mater. 2020, 2003618）上，论文的第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院硕士研究生曹雪媛，通讯作者为潘凯教授，其他合作者包括北京化工大学本科生陈思维，澳大利亚Deakin大学的张娟博士和Russell John Varley教授。

论文链接：

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

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