【强担当 创业绩】 天科大在多功能纳米纤维素基碳气凝胶领域取得进展

近日，天津科技大学轻工科学与工程学院硕士研究生刘华玉以第一作者身份在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上发表研究论文“超弹、超轻、超亲水的多功能纳米纤维素基碳气凝胶”（Multifunctional Superelastic, Superhydrophilic, and UltralightNanocellulose-Based Composite Carbon Aerogels for Compressive Supercapacitor and Strain Sensor），并被遴选为封面文章（Cover Story，图1）。天津科技大学为第一和通讯作者单位，指导老师轻工学院造纸系司传领教授和徐婷博士后为通讯作者。《先进功能材料》是Wiley出版社旗下的国际材料科学领域最高层次期刊之一，为Nature Index收录期刊，中科院JCR分区为一区。期刊致力于报道材料科学取得的突破性进展，以其高质量的内容和高影响力而闻名，被业内公认为高学术质量科技期刊。

图1.论文被遴选为Advanced Functional Materials期刊封面文章（Cover Story）

纳米纤维素是一种从天然纤维素中提取出的具有高比表面积，高长径比，及低密度等优异性能的天然高分子材料，兼具绿色无毒害、几乎取之不尽用之不竭的巨大优势，在电子设备以及储能器件领域拥有广阔的应用前景。碳气凝胶具有低密度、高孔隙率、高比表面积和优良的导电性，是制备优异压缩性和电化学性能的多功能超级电容器电极的理想材料。如何利用纳米纤维素制备具有可压缩性、亲水性和抗疲劳性的碳气凝胶仍然是一个巨大的挑战。

图2.超弹、超轻、超亲水的多功能纳米纤维素基碳气凝胶制备流程及示意图

司传领教授课题组基于有序排列的层状多孔结构中的氢键协同作用、静电作用和π -π相互作用，通过双向冷冻和高温碳化，制备了含有纤维素纳米纤维（CNF）、碳纳米管（CNT）和还原氧化石墨烯（RGO）的导电碳气凝胶，如图2所示。得益于多孔结构和高表面粗糙度，CNF/CNT/RGO碳气凝胶具有超低密度（2.64 mg cm-3）和超亲水性。蜂窝状有序多孔结构可以在整个微观结构中有效传递应力，从而赋予碳气凝胶高压缩性（可承受80%应变）和优异的抗疲劳性能（50%应变下循环压缩10000次后，应力保留率为85.3%）。以该气凝胶为电极所组装的可压缩超级电容器显示出优异的面积电容（109.4 mF cm-2）和长周期压缩循环性能（50%的应变下连续循环5000次后，电容保留率为88%）。此外，该气凝胶具有良好的线性灵敏度（S = 5.61 kPa-1），可作为应变传感器准确捕捉人体生物信号（图3）。此CNF/CNT/RGO复合碳气凝胶有望为可穿戴电子设备、电子皮肤和人体运动监测等设备提供新型的多功能平台。

图3. 超弹、超轻、超亲水的多功能纳米纤维素基碳气凝胶在传感领域的应用

刘华玉系轻工学院轻工技术与工程专业硕士研究生，其研究成果先后以第一作者发表在《Chemical Engineering Journal》、《Current Medicinal Chemistry》、《Industrial Crops and Products》、《Advanced Composites and Hybrid Materials》和《Advanced Functional Materials》等期刊。此外，其研究成果以学生第一作者身份获授权或公布发明专利3项。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202113082