ACS Nano：超弹性MXene的抗压缩混合气凝胶，用于可穿戴电子

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一、文章概述

具有出色导电性、可逆可压缩性和高耐用性的超弹性气凝胶在从可穿戴电子产品到多功能支架等各种新兴应用中都具有巨大潜力。澳大利亚迪肯大学前沿材料研究所Joselito M. Razal教授研究团队通过将MXene和GO纳米片混合，然后进行GO的多步还原、冷冻浇铸以及最后的退火工艺来制造超弹性MXene/还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶。

要点（1）：通过优化成分和还原条件，所得气凝胶显示出95％的可逆压缩应变，超过了所有当前报告的值。导电MXene/rGO网络可在压缩/释放循环下提供快速的电子转移和稳定的结构完整性。

要点（2）：当组装成可压缩的超级电容器时，经过1000次压缩/释放循环后，仍保留了97.2％的电容。此外，高电导率和多孔结构还使得能够制造出具有高灵敏度（0.28kPa-1）、宽检测范围（最高66.98kPa）和超低检测极限（〜60Pa）的压阻传感器。

要点（3）：可以设想，MXene/rGO气凝胶的超弹性提供了一个多功能平台，可在各种应用中利用基于MXene的材料，包括可穿戴电子设备，电磁干扰屏蔽和柔性能量存储设备。

二、图文导读

图1.（a）MGA-50的制造过程示意图和照片。

MGA-50在（b）低和（c）高放大倍数下的俯视SEM图像，显示MXene包裹在rGO片材中。

（d）MGA-50的侧视图SEM图像。

（e）MGA-50的TEM和（f）高分辨率TEM图像。

（g）MGA-50的SEM和相应的EDX元素映射图像。

图2.（a）MGA-50在不同压缩应变下的应力-应变曲线。

（b）使用不同MXene含量制造的气凝胶的最大弹性应变。

（c）在0％、50％、80％和90％处压缩的MGA-50的SEM图像。

（d）在不同的退火温度下处理的MGA-50的最大弹性应变。在不同的退火温度下处理的MGA-50的XRD图谱，（e）MXene和（f）rGO的（002）衍射峰。

（g）加载和卸载过程的100个循环的应力-应变曲线，以及（h）MGA-50的低应力区域的放大图像。

（i）MGA-50的最大弹性应变与先前报道的基于MXene或石墨烯的气凝胶的比较。

图3.（a）用于MGA电极的电化学性能测试的三电极设置的示意图。

（b）CV、（c）阳极峰值电流（ip）与扫描速率（v）的对数关系，以及（d）MGA-50电极在其原始状态下的恒电流充放电（GCD）曲线。

（e）MGA-50电极的重量电容和相应的库仑效率与电流密度的关系。

（f）在第二还原步骤中，MGA-50电极的重量电容在90℃下经过10、30、60和120分钟降低了10分钟。

（g）用不同MXene含量制造的MGA电极电容。

（h）混合气凝胶电极的EIS数据。

（i）在变化的压缩应变下，MGA-50电极的体积电容变化。

图4.（a）使用MGA-50作为电极的已组装CSC的数码照片。

（b）CV曲线，（c）GCD曲线，（d）CSC的比电容和库仑效率，以及（e）电容保持率。

（f）在压缩-释放周期内，应变率为0％至80％时测得的动态CV曲线。

（g）各种应变下CSC的电容保持率，扫描速率为20 mV s-1。

（h）以20 mV s-1的扫描速率在60％的应变下经过1000次压缩循环后，CSC的电容保持率。

（i）CSC的Ragone图以及各种电流密度下的功率和能量密度。

图5.（a）用于MGA-50传感器动态测量的压力传感装置示意图。

（b）MGA-50的电流变化与施加压力的关系，插图显示了低压下的曲线。

（c）从10％到90％的不同压缩应变下的电流变化响应。

MGA-50传感器在微小应变下的实时电流响应（d）由水滴引起、（e）由动脉脉搏波引起，以及（f）佩戴者说“one”、“two”和“three”。

三、论文信息

Superelastic Ti3C2Tx MXene-Based Hybrid Aerogels for Compression-Resilient Devices

ACS Nano (IF=14.588)

Pub Date : 2021-02-26

DOI: 10.1021/acsnano.0c09959

Degang Jiang; Jizhen Zhang; Si Qin; Zhiyu Wang; Ken Aldren S. Usman; Dylan Hegh; Jingquan Liu; Weiwei Lei; Joselito M. Razal*

Institute for Frontier Materials, Deakin University, Geelong, VIC 3216, Australia

原文链接

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c09959

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