為了實(shí)現(xiàn)可穿戴傳感器和柔性儲(chǔ)能設(shè)備的良好性能，非常需要具有有趣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多功能架構(gòu)。纖維素納米纖維 (CNF) 用于協(xié)助構(gòu)建具有定向管胞狀紋理的導(dǎo)電、超彈性和超輕 Ti3C2TX MXene 混合氣凝膠。仿生混合氣凝膠是通過基于協(xié)同靜電相互作用和氫鍵的 CNF、碳納米管 (CNT) 和 MXene 的簡便雙向冷凍策略構(gòu)建的。纏結(jié)的 CNF 和 CNT“砂漿”與管胞結(jié)構(gòu)的 MXene“磚塊”結(jié)合，產(chǎn)生良好的界面結(jié)合和卓越的機(jī)械強(qiáng)度（高達(dá) 80% 的壓縮率和在 50% 應(yīng)變下 1000 次循環(huán)的非凡抗疲勞性）。受益于仿生紋理，CNF/CNT/MXene 氣凝膠顯示出 7.48 mg cm
−3 的超低密度和優(yōu)異的電導(dǎo)率 (~ 2400 S m
−1)。此類氣凝膠用作壓力傳感器時(shí)，表現(xiàn)出良好的靈敏度性能，線性靈敏度高達(dá)817.3 kPa
−1，適合其在監(jiān)測體表信息和檢測人體運(yùn)動(dòng)方面的應(yīng)用。此外，氣凝膠還可以作為壓縮固態(tài)超級(jí)電容器的電極材料，表現(xiàn)出令人滿意的電化學(xué)性能（0.8 mA cm
−2 下為 849.2 mF cm
−2）和優(yōu)異的長循環(huán)壓縮性能（在30%壓縮應(yīng)變下循環(huán) 10,000 次后為 88%） 。
Fig 1. a CNF/CNT/MXene 氣凝膠的制造過程示意圖。 b 蒲公英頂部的輕質(zhì) CNF/CNT/MXene 氣凝膠的照片圖像。 MXene 和不同 CNF/CNT/MXene 氣凝膠的 c FTIR 和d XRD圖譜。
Fig 2. a、b CNT/MXene (1:7) 氣凝膠的頂視圖和 c 側(cè)視圖 SEM 圖像。 d、e為CNF/CNT/MXene(2:1:7)氣凝膠的俯視SEM圖和側(cè)視SEM圖，插圖為孔結(jié)構(gòu)示意圖。 g CNF/CNT/MXene 氣凝膠 (2:1:7) 壓縮和釋放過程示意圖。 h 與其他MXene基氣凝膠的電導(dǎo)率比較。
Fig 3. a CNT/MXene (1:7) 和 CNF/CNT/MXene (2:1:7) 氣凝膠第一次壓縮循環(huán)的實(shí)驗(yàn)照片。 b 第一個(gè)周期后不可逆變形百分比的直方圖。插圖顯示了第一個(gè)周期后樣品的高度對比照片（比例尺為1厘米）。 c CNF/CNT/MXene (2:1:7) 氣凝膠在 X 方向壓縮應(yīng)變?yōu)?40%–80% 時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（插圖顯示壓縮方向）。應(yīng)力應(yīng)變曲線 d 在 50% 應(yīng)變下進(jìn)行 1000 個(gè)循環(huán)，e 在 80% 應(yīng)變下進(jìn)行 100 個(gè)循環(huán)。 f CNF/CNT/MXene (2:1:7) 氣凝膠與 MXene 和碳基氣凝膠的應(yīng)力保留比較。 g CNF/CNT/MXene (2:1:7)氣凝膠壓縮變形機(jī)理圖。
Fig 4. a相對電流的變化與壓力傳感器的線性靈敏度之間的關(guān)系。 b 0.1–6.4 kPa 各種壓力下的電流響應(yīng)。 c 20% 應(yīng)變下 2000 次循環(huán)的電流穩(wěn)定性。 d 人體行為監(jiān)測應(yīng)用示意圖。 e 肘部擺動(dòng)、f 手腕彎曲、g 正常工作、h 手指觸摸的電流信號(hào)。
Fig 5. 組裝后的可壓縮超級(jí)電容器的示意圖。 b 可壓縮超級(jí)電容器在2-50 mV s
-1 掃描速率下的CV曲線。 c 不同面電流密度下的GCD曲線。可壓縮超級(jí)電容器在0%至80%各種應(yīng)變下的d GCD曲線和e奈奎斯特圖。 f 固態(tài)可壓縮超級(jí)電容器在 30% 應(yīng)變下超過 10,000 次循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性。 g 壓縮前后離子和電子在電極中傳輸?shù)倪^程圖。
相關(guān)研究工作由天津科技大學(xué)Chuanling Si/Haishun Du和 德國哥廷根大學(xué)Kai Zhang課題組于2023年聯(lián)合在線發(fā)表于《Nano-Micro Letters》期刊上，原文：Nanocellulose-Assisted Construction of Multifunctional MXene-Based Aerogels with Engineering Biomimetic Texture for Pressure Sensor and Compressible Electrode。
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01073-x
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
