成果简介
本文，中国科学院兰州化学物理研究所王金清研究员与杨生荣研究员等研究人员在《ACS Appl. Nano Mater.》期刊发表名为“Graphene/MXene Composite Aerogels Reinforced by Polyimide for Pressure Sensing”的论文，研究引入聚酰亚胺（PI）作为氧化石墨烯（GO）和MXene片材的粘合剂和增强剂，以制备具有良好机械弹性、高导电性、优异热稳定性和可靠热量的坚固的rGO/MXene/PI（GMP）复合气凝胶。 GO、MXene 纳米片和 PI 前体之间独特的物理和化学相互作用增强了气凝胶的三维网络框架。作为传感材料，定向冷冻制备的具有层撑网络结构的GMP气凝胶具有较低的密度（8.97-12.71 mg/cm 3)、高导电性 (3.08 S/m)、明显的可逆压缩 (90%) 和出色的抗疲劳性 (10,000 次循环)。基于GMP复合气凝胶的压阻式传感器可以快速检测到微小的应变，可进一步用于脉搏、呼吸、振动、手指弯曲等人体健康监测。在PI的辅助下，气凝胶还具有高绝热性能（0.022 W/(m·k)）和优异的耐低温性（-196 ℃），在许多领域显示出广泛的应用潜力。
图文导读
图1. (a) GMP 复合气凝胶的制备过程。(b/c) GO和MXene薄片的TEM图像。
图2. (a-d) GMP-3复合气凝胶在不同放大倍数下的SEM图像。(e) GMP复合气凝胶组件示意图。(f) MAX、MXene、rGO、GM 和 GMP的 XRD 图谱。(g) MXene、GO、rGO、GM和GMP的XPS测量光谱。
图3. (a) 不同气凝胶样品的密度和电导率，(b) 应力和模量，以及 (c) 电流-电位曲线。(d) GMP-3 复合气凝胶在 10、30、50、70 和 90% 应变下的应力曲线。(e) GMP-3 复合气凝胶在 10,000 次循环下的应力-应变和能量损失曲线。(f) 循环压缩示意图。
图4. (a) GMP-3复合气凝胶的温度-时间曲线。(b) GMP-3复合气凝胶在-40至300 °C 的热导率。(c) GMP-3 复合气凝胶与其他典型气凝胶的热导率比较。(d-i)GMP-3 复合气凝胶在去除热源之前和之后的红外热成像照片。(j) GMP-3 复合气凝胶在火焰下燃烧的数字图像。
图5. (a/b) GMP 复合气凝胶的应变和应力敏感性。(c) 组装传感器的响应时间。(d-e)GMP-3 复合气凝胶在0.2-1% 和10-70% 应变下的循环电流变化。(f) GMP-3 复合气凝胶在5、10、30和50毫米/分钟时的电流变化。(g) GMP-3 复合气凝胶在 50% 应变下 10,000 次压缩循环的电流稳定性。(h) GMP-3 复合气凝胶在液氮中的传感行为。
图6. 基于GMP-3 复合气凝胶的压阻式传感器可以检测 (a) 脉搏、(b) 戴口罩呼吸、(c) 点头、(d) 连续摇动、(e) 中指弯曲和 (f)膝盖弯曲。
小结
综上所述，通过定向冷冻制备气凝胶，已经证明PI前驱体的引入可以将脆性rGO/MXene气凝胶转变为具有优异弹性和柔韧性的复合气凝胶。PI增强的rGO/MXene协同作用赋予GMP复合气凝胶理想的电气和机械性能。此外，它具有出色的隔热性。在GMP复合气凝胶的基础上，组装了一种高灵敏度压阻传感器，可用于监测各种人体运动，包括脉搏跳动、呼吸、振动、手指弯曲等。综上所述，制备的GMP复合气凝胶可以提供新的见解进入3D宏观GA的制备。
文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.1c03722
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