研究背景

氣凝膠具有輕質(zhì)和高比表面積等特性，進(jìn)一步提高其機(jī)械魯棒性將大大拓寬其在建筑、工業(yè)環(huán)境和智能設(shè)備中的潛在應(yīng)用。然而，氣凝膠通常表現(xiàn)出低強(qiáng)度和脆性，這通常源于原料成分固有的脆性和低效的界面相互作用。構(gòu)建良好力學(xué)性能的氣凝膠是充分發(fā)揮氣凝膠材料眾多優(yōu)良特性的核心基礎(chǔ)。氣凝膠在受到較大的機(jī)械應(yīng)力或沖擊時(shí)，可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)倒塌和強(qiáng)度削弱，從而可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故。因此，保持氣凝膠的高孔隙率、低密度等特性，同時(shí)提高其機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)進(jìn)一步激發(fā)氣凝膠材料的發(fā)展活力具有重要意義。

文章概述

近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)基于MXene密集橋接構(gòu)筑了機(jī)械堅(jiān)固的納米纖維素摩擦電氣凝膠。氣凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，楊氏模量為72.4 MPa，比模量為342.0 kN m/kg。摩擦電氣凝膠被用于構(gòu)建可穿戴自供電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了人體不同步態(tài)以及肢體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)成果以題為《Mechanically Robust Triboelectric Aerogels Enabled by Dense Bridging of MXene》發(fā)表在最新一期《Nano Letters》期刊上，博士后蔡晨晨為本研究的第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，張立鑫、蒙香江、羅斌、劉艷華、遲明超、王金龍、劉濤、張松等參與研究。

圖文導(dǎo)讀

1. 摩擦電氣凝膠的設(shè)計(jì)策略

在本研究中，摩擦電氣凝膠的設(shè)計(jì)策略基于一種鹽析作用誘導(dǎo)的密集橋接。首先基于冰模板法，利用MXene納米片和纖維素納米晶（CNC）之間的氫鍵相互作用，賦予氣凝膠均勻MXene納米片排列的有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步通過鹽析作用增加聚集狀態(tài)以及MXene納米片和CNC之間的氫鍵相互作用，減小了MXene層間距。這促使MXene和纖維素分子鏈之間的相互作用增強(qiáng)，并且在有限的空間中限制了MXene納米片的滑移。這提高了壓縮過程中氣凝膠耗散能量以及抵抗變形的能力，將賦予摩擦電氣凝膠優(yōu)異的力學(xué)性能。

圖1. 摩擦電氣凝膠的設(shè)計(jì)策略

2. 摩擦電氣凝膠的制備與力學(xué)性能

由于CNC和MXene層之間良好的粘附性，同時(shí)通過控制冰晶生長速度，可有效地將MXene和CNC排除在冰晶前沿、部分冰晶中，有利于產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步使用檸檬酸鈉鹽溶液處理經(jīng)過冷凍的MXene/CNC冰水混合物。最后，使用真空冷凍干燥得到具有優(yōu)異力學(xué)性能的Salting-out/MXene/CNC氣凝膠（楊氏模量為72.4 MPa、比模量為342.0 kN m/kg）。

圖2. 摩擦電氣凝膠的制備與表征

3. MXene密集橋接的構(gòu)建

密集橋接的構(gòu)建可減少M(fèi)Xene納米片的層間距并改善其取向度，這將有效提升MXene復(fù)合材料的力學(xué)性能。與MXene相比，MXene/CNC氣凝膠中CNC的存在導(dǎo)致MXene的（002）特征衍射峰向小角度偏移，該峰從6.3°左移至5.2°，即MXene層間距得到增加。與MXene/CNC氣凝膠相比，Salting-out/MXene/CNC氣凝膠MXene的（002）特征衍射峰從5.2°移至5.7°，即MXene層間距得到減小。這是因?yàn)辂}析處理增加了MXene和CNC相互作用，MXene納米片將通過更多氫鍵與CNC橋接，最終形成致密MXene。同時(shí)，Salting-out/MXene/CNC氣凝膠的赫爾曼取向因子（-0.128）高于MXene/CNC氣凝膠（-0.269），證實(shí)了鹽析作用對(duì)MXene取向增強(qiáng)的幫助。

圖3. 密集橋接的構(gòu)建

4. 摩擦電氣凝膠的應(yīng)用

將機(jī)械堅(jiān)固的氣凝膠用于組裝成TENG，并將其應(yīng)用于為特殊人群量身定制的可穿戴設(shè)備，這對(duì)于受傷人員的康復(fù)過程意義重大，使他們大大減輕了經(jīng)常承受的負(fù)擔(dān)。傳感器具有較高的響應(yīng)和恢復(fù)速度，響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間分別為45 ms和53 ms。經(jīng)過～1000 s的循環(huán)測(cè)試后，輸出性能依舊可保持穩(wěn)定。通過傳感器可對(duì)不同人體步態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如根據(jù)開路電壓信號(hào)峰型和數(shù)值特點(diǎn)，可以明顯區(qū)分走路和跳躍等狀態(tài)。此外，也通過開路電壓的峰值大小和峰的頻率來監(jiān)測(cè)人體肘部彎曲的角度和頻率。

圖4. 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

結(jié)論

在這項(xiàng)工作中，通過鹽析誘導(dǎo)密集橋接的構(gòu)建，制備了一種機(jī)械堅(jiān)固的納米纖維素摩擦電氣凝膠，并基于此材料開發(fā)了一種用于人體康復(fù)訓(xùn)練的自供電傳感器。鹽析強(qiáng)化了MXene與CNC之間的相互作用，從而使得MXene的層間距減小和取向度的改善。得益于強(qiáng)化的能量耗散和抵抗變形的能力，Salting-out/MXene/CNC氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。由于多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)異剛度性能，所制備的傳感器表現(xiàn)出高壓強(qiáng)的響應(yīng)能力，以及輸出性能的長期穩(wěn)定性。此外，傳感器成功實(shí)現(xiàn)了不同步態(tài)以及人體肢體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為人類康復(fù)訓(xùn)練過程等提供了穩(wěn)定的自供電傳感器。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04401

來源：奇物論