【学思想 建新功】天津科技大学在多功能气凝胶领域取得研究进展

近日，天津科技大学轻工科学与工程学院司传领教授团队及其合作者，针对MXene气凝胶导电性能和力学性能较差的问题，提出利用纤维素纳米纤维（CNF）与MXene的氢键协同作用，基于双向冻结的方法构建了具有工程仿生结构的多功能、高导电以及超弹性CNF/CNT/MXene气凝胶，相关论文以题为“Nanocellulose‑Assisted Constructionof Multifunctional MXene‑Based Aerogelswith Engineering Biomimetic Texture for PressureSensor and Compressible Electrode”发表在材料科学领域顶级期刊《Nano-Micro Letters》上，并被期刊遴选为封面文章（Cover Story，图1）。该论文第一作者为我校轻工科学与工程学院教师徐婷，通讯作者为司传领，天津科技大学为第一作者和通讯作者单位，美国及德国合作者参与了部分工作。

图1. 论文被遴选为Nano-Micro Letters期刊封面文章（Cover Story）。

MXene气凝胶可通过直接冷冻干燥或超临界干燥得到，然而，由表面官能团(-O，-OH，-F等)产生的相对较弱的静电排斥相互作用不能有效平衡MXene纳米片平面间强范德华相互作用，这使得在气凝胶制备过程中，MXene纳米片不可避免地开始聚集和重新堆积。紧凑的自堆积结构阻碍了三维框架中的电子传输和应力传递，导致导电性能和力学性能较差。而且，基于MXene气凝胶的多功能平台的开发还处于起步阶段，有效的结构设计对于构建功能碳气凝胶具有重要意义。

图2. （a）CNF/CNT/MXene气凝胶制备示意图。（b）放置在蒲公英顶部的轻质CNF/CNT/MXene气凝胶的照片。（c）MXene和不同CNF/CNT/MXene气凝胶的FTIR及（d）XRD图谱。

基于以上考虑，此研究以天然木材的层次化管胞状结构为灵感，将具有绿色环保特性、大长径比以及丰富的含氧官能团的CNF作为功能材料的组分，采用双向冻结的方法制备了具有工程仿生结构的多功能CNF/CNT/MXene气凝胶，展示出优异的机械强度和高导电性（图2）。首先，CNF与MXene之间的静电斥力可避免MXene纳米片的堆叠；其次，缠绕的CNF与CNT作为“砂浆”与管胞结构的MXene“砖块”结合可产生良好的界面相互作用；再者，有序的工程结构可有效实现电子传输和应力传递。复合气凝胶作为应变传感器电极，具有高达817.3 kPa-1的线性灵敏度，在人体运动和生理监测方面具有广阔的应用前景（图3）。此外，CNF/CNT/MXene气凝胶可用于固态可压缩超级电容器，并表现出显著的电化学性能，包括高比电容（849.2 mF cm-2），优异的循环稳定性（10000次循环后电容保留率为88%）和良好的机械灵活性。

图3. （a）相对电流的变化与压力传感器线性灵敏度的关系。（b）20%-80%不同压缩应变下的电流响应。（c）电流稳定性在20%应变2000循环。（d）应用于人类行为监测的图解。电流信号来自（e）肘部摆动，（f）手腕弯曲，（g）正常工作，（h）手指接触。

全文链接：

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01073-x

编辑：田珺