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    北化大潘凱教授團隊《AFM》:1D+2D納米材料協同制備強韌3D石墨烯氣凝膠用于壓阻式傳感器
    2020-07-20  來源:高分子科技

      石墨烯氣凝膠作為一種三維多孔結構材料,具有密度低、比表面積大、導電、孔隙率高等優點,在能量的儲存與轉換、催化劑載體材料、壓阻材料、環境修復材料等方面應用廣泛。作為壓阻式傳感材料,傳統的石墨烯氣凝膠的強度低,壓縮時其多孔結構容易被破環,這對其壓縮性能和壓阻性能都會產生不利影響。


      北京化工大學潘凱教授團隊借鑒建筑材料“加筋”增強增韌的方法,在制備石墨烯氣凝膠時引入納米纖維,通過對靜電紡絲聚丙烯腈(PAN)納米纖維進行預處理,之后采用冷凍干燥法將其和氧化石墨烯共同制備出具有“多層結構+孔結構+納米纖維”多級結構的納米纖維/石墨烯氣凝膠(aPANF/GA)。制備過程如圖1所示,制備過程中,預處理得到的納米纖維(aPAN)表面粗糙,且引進部分含氧官能團,這些變化有益于aPAN納米纖維和氧化石墨烯片的相互作用,使兩者之間結合的更加牢固。


    圖1 納米纖維/石墨烯氣凝膠的制備流程。


      aPANF/GA獨特的“多層結構+孔結構+納米纖維”多級結構使其具有優異的壓縮性能。aPANF/GA被壓縮后可以迅速回復至初始高度,對比壓縮應力應變曲線,發現在相同壓縮應變下,aPANF/GA的壓縮應力高于PAN納米纖維/石墨烯氣凝膠和石墨烯氣凝膠,且aPANF/GA的壓縮應力會隨著納米纖維含量的增加而增加,最高可達43.54 kPa(壓縮應變為80%)。圖2展示了aPANF/GA的多級結構,aPANF/GA的3D網絡骨架由aPAN納米纖維和還原氧化石墨烯片(rGO)共同組成。其中多層結構和孔結構為aPANF/GA提供充足的壓縮空間,由aPAN納米纖維和rGO構成的孔壁和孔間的納米纖維使aPANF/GA被壓縮后可以迅速回復至初始狀態,而“葉脈狀”的單層結構也有益于aPANF/GA的壓縮性能。


    圖2 納米纖維/石墨烯氣凝膠的微觀結構:(a,d,g)多層結構及納米纖維。(b,e,h)孔結構及孔壁。(c,f,i)片層連接處及單層結構。


      這種獨特多層結構也為aPANF/GA帶來了優異的壓阻性能,在不同的外力作用下aPANF/GA輸出的電流信號穩定,壓縮/回復循環2600次后,電流保持率為91.57%。在0-14 kPa應變范圍內,靈敏度呈線性關系,數值為28.62 kPa-1。檢測限度低于3 Pa,最快的響應時間為37 ms、回復時間為14 ms。將aPANF/GA作為傳感材料組成為壓阻傳感裝置并貼在人體不同部位,可以檢測到吞咽、發音、脈搏或關節部位的動作。


    圖3 納米纖維/石墨烯氣凝膠基壓阻傳感器對人體不同部位動作的監測信號。


      研究者認為,該方法簡單有效,能夠顯著提升石墨烯氣凝膠的機械性能并推向可實際應用場景,可以發展為一種普適的增強二維材料氣凝膠的方法,同時通過改變納米纖維的材質和尺寸,還有望獲得其他的特性。以上成果發表在Advance Functional Materials(Adv. Funct. Mater. 2020, 2003618)上,論文的第一作者為北京化工大學材料科學與工程學院碩士研究生曹雪媛,通訊作者為潘凱教授,其他合作者包括北京化工大學本科生陳思維,澳大利亞Deakin大學的張娟博士Russell John Varley教授


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

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    (責任編輯:xu)
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