成果简介
碳气凝胶是一种优良的导电多孔碳材料，但其机械性能和抗疲劳性能较差，极大地限制了其作为柔性电子器件的应用。本文，南京林业大学 徐朝阳教授团队在《Diamond and Related Materials》期刊发表名为“Construction of multifunctional cellulose nanofibers/reduced graphene oxide carbon aerogels by bidirectional freezing for supercapacitor electrodes and strain sensors”的论文，研究采用双向冷冻技术和热退火工艺制备了具有独特分层结构的纤维素纳米纤维/还原氧化石墨烯碳气凝胶（BCRCA）。
BCRCA 的层状结构使其具有超低密度（3.25 mg/cm3）、高比表面积（159.53m2/g）和良好的压缩性能（91.3% 的应力保持率，50%压缩100 次）。此外，用于超级电容器电极的BCRCA在0.1A g-1条件下具有104.3Fg-1 的高比容量，在2Ag-1条件下循环5000次后具有93%的高电容保持率。值得注意的是，组装成可穿戴应变传感器的 BCRCA可显示稳定的电流信号，用于实时监测手指、手腕和肘关节的运动。这些优点使得BCRCA在电子储能设备和可穿戴应变传感器领域具有广阔的应用前景。
图文导读
图1.BCRCA的合成过程图。
图2.（a） CGA和纯CNF气凝胶碳化前后的对比图像。（b） 轻质BCRCA在绿木叶上的图像。（c） NCRCA的ESEM图像。（d） UCRCA的ESEM图像。（e）， （f） BCRCA的ESEM图像。
图3.（a） CNF、GO、CGA和BCRCA的XRD和（b）FTIR图谱。（c） CGA和BCRCA的XPS谱图。（d） CGA 和 （e） BCRCA 的 C1s 光谱。（f） CGA和BCRCA的拉曼光谱。（g） CNF和CGA的TGA曲线。（h） BCRCA、UCRCA和NCRCA的氮吸附-脱附等温线和（i）孔径分布。
图4.（a） BCRCA、UCRCA和NCRCA在70%应变下的应力-应变曲线。（b） 不同菌株下BCRCA的应力-应变曲线。（c） BCRCA在50%应变下的应力-应变曲线，经过100次循环。（d） 将BCRCA的压缩性能与其他气凝胶进行比较。
图5. 不同扫描速率下 (a) NCRCA、(b) UCRCA和 (c) BCRCA 的曲线。(d) NCRCA、(e) UCRCA 和 (f) BCRCA 在不同电流密度下的 GCD 曲线。(g) 三种电极的电容比较。(h) BCRCA、URCA 和 NCRCA 电极的奈奎斯特阻抗图。(i) BCRCA电极在2Ag-1 条件下循环5000次后的稳定性。
图6. (a) 不同压缩水平下 LED 亮度的变化。(b) 压缩应变为 10-70% 时的电流响应。(c) 不同压缩速度下的电流信号响应。(d) BCRCA 在 0-11 kPa 范围内的灵敏度。(e) 与其他文献中报告的灵敏度相比。(f) BCRCA 在应变为 30% 时循环 3500 次的电流响应。
图7：（a）应变传感器的组装。基于 BCRCA 的应变传感器监测人体活动，（b）手指弯曲，（c）手腕弯曲，（d）肘关节弯曲，（e）手指按压，（f）膝盖弯曲，（g）脚踝弯曲，（h）皱眉。
小结
总之，我们采用简单有效的双向冷冻干燥和热退火策略，精心设计并制造出了具有优异机械性能的分层超轻 BCRCA。BCRCA 丰富的层状结构有利于应力传递和电解质离子的扩散。将 BCRCA 用作超级电容器电极材料具有良好的电化学性能（0.1 A g-1 时为 104.3 F g-1）和出色的循环稳定性（2 A g-1 时循环 5000 次后电容保持率为 93%）。此外，BCRCA 还可用于应变传感器，具有出色的信号稳定性（3500 次循环），并可用于监测人体活动。总之，这项工作为制备低成本、可持续的轻质弹性碳气凝胶提供了一种新方法，并使其应用于电子储能设备和可穿戴应变传感器成为可能。
文献：https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110555
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