华南理工大学Adv. Mater.：超灵敏、高压缩、抗疲劳、可弯曲石墨烯碳气凝胶

【引言】

随着柔性器件和可穿戴设备的发展，柔性碳材料受到了各国研究人员的广泛关注。尽管目前发展了多种方法获得了具有良好压缩性、弹性的碳材料，但制备兼具高压缩、高回弹、抗疲劳、超灵敏传感的碳材料仍具很大的挑战性。

【成果简介】

华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室钟林新、彭新文教授和北京林业大学孙润仓教授（共同通讯作者）等人近期在Advanced Materials上发表了题为“A Supercompressible, Elastic, and Bendable Carbon Aerogel with Ultrasensitive Detection Limits for Compression Strain, Pressure, and Bending Angle”的文章，该团队通过纳米纤维素纳米微晶（CNC）支撑与外碳源焊接作用的新方法制备了同时具有高压缩与超回弹、优异可弯曲性能及超灵敏压力与形变传感的碳气凝胶。通过CNC的纳米支撑作用可构建低密度、结构稳定的气凝胶，而CNC和小分子碳源的碳焊接作用增强了rGO之间的作用力，形成了更连续、形状记忆性能更好的柔性波浪形碳层结构。该碳气凝胶不仅具有超高的可压缩性（99%，材料可压缩的极限，相当于完全压缩）、弹性与抗疲劳性（循环压缩10000次后高度没有明显下降），而且同时具有极好的可弯曲性与对微小形变、微小压力的超高传感能力,检测极限值分别为0.0125%和0.25 Pa，低于目前报道的碳材料的检测极限。该碳气凝胶可感应超低的弯曲形变角度（0.052°），并且可组装成可穿戴电子器件，对人体脉搏的跳动强度实现灵敏检测，在压力传感、可穿戴电子器件等方面具有重要的应用价值。论文第一作者为研究生卓浩。

【图文导读】

图1 C-CNC/rGO-X 碳气凝胶的制备、结构以及弹性示意图

（a）C-CNC/rGO-X 碳气凝胶导向冷冻铸造示意图，其中X代表葡萄糖（glucose）和尿素（urea）；

（b-e）C-CNC/GO, C-CNC/rGO-urea, C-CNC/rGO-glu2和C-CNC/rGO-glu5碳气凝胶的扫描电镜图，比例尺为100微米；

（f）C-rGO碳气凝胶不可逆压缩的数码照片以及结构示意图；

（g）C-CNC/rGO-glu2碳气凝胶可逆压缩的数码照片以及结构示意图。

图2 C-CNC/rGO-X 碳气凝胶的高压缩性、高弹性和抗疲劳性

（a）50%应变下循环压缩的高度保留；

（b）C-CNC/rGO 碳气凝胶50%应变下1000次循环压缩的应力应变曲线；

（c）C-CNC/rGO-urea 碳气凝胶在50%应变下循环压缩10000次的应力应变曲线；

（d）C-CNC/rGO-glu2 碳气凝胶在50%应变下循环压缩10000次的应力应变曲线；

（e）C-CNC/rGO-glu5 碳气凝胶在50%应变下循环压缩10000次的应力应变曲线；

（f）C-CNC/rGO-glu2 碳气凝胶在90%应变下循环压缩100次的应力应变曲线；

（g）C-CNC/rGO-glu2 碳气凝胶在99%应变下循环压缩100次的应力应变曲线。

图3 基于碳气凝胶压缩电阻式的应力应变传感

（a）10次循环后的归一化电阻R/R₀，内置图为压缩应变ε ≤ 5%时的应变灵敏系数；

（b）归一化电阻R/R₀的抗疲劳性（循环压缩10000次以上）；

（c）微小应变的传感；

（d）微小应力下传感；

（e-f）30%与90%压缩应变下响应电流的循环稳定性。

图4 简易传感器件的弯曲与传感性能

（a）C-CNC/rGO-glu2弯曲前后的数码照片；

（b）微小弯曲下的电阻图，组装的简易传感器可以检测出微小的弯曲角度（0.052°）；

（c）不同弯曲角度下的归一化电阻图；

（d）不同循环次数下的归一化电阻图；

（e）简易传感器的弯曲机理模型；

（f）简易传感器最大厚度（d₁）的计算值和实验值。

图5 C-CNC/rGO-glu2碳气凝胶组装的简易传感器用于可穿戴器件

（a）手指点击的电流响应；

（b）未施加压力和生物信号的电流响应；

（c）人体脉搏的电流响应，规律的间隔为1.08s；

（d）脉搏信号的放大图，可以明显看出P1,P2和P3峰。

【小结】

作者提出了通过CNC的纳米支撑与外碳源焊接作用的新方法来制备同时具有高压缩与超回弹、优异可弯曲性能及超灵敏压力与形变传感的碳气凝胶。该碳气凝胶不仅具有超高的可压缩性（、弹性与抗疲劳性，而且同时具有极好的可弯曲性与超稳定的压力—电流响应行为。更重要的是，该碳气凝胶对微小形变和微小压力具有超高的传感性能，并可组装成可穿戴电子器件，在压力传感、可穿戴电子器件等方面具有重要的应用价值。

文献链接：A Supercompressible, Elastic, and Bendable Carbon Aerogel with Ultrasensitive Detection Limits for Compression Strain, Pressure, and Bending Angle（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201706705）

本文来由钟林新老师团队供稿。

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