近日，北京化工大學(xué)材料學(xué)院潘凱研究員在國際權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》（IF= 16.836）上發(fā)表了題為“1D/2D Nanomaterials Synergistic, Compressible, and Response Rapidly 3D Graphene Aerogel for Piezoresistive Sensor”的研究論文，設(shè)計(jì)了一種新型的具有3D互連的分層微觀結(jié)構(gòu)的納米纖維增強(qiáng)石墨烯氣凝膠。
石墨烯氣凝膠通常通過氧化石墨烯的還原與冷凍干燥制備的。但是，氧化石墨烯在制備過程中容易發(fā)生團(tuán)聚，使得氣凝膠孔隙結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在較大形變使用時(shí)容易發(fā)生坍塌，限制其在壓阻傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，通過控制石墨烯氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)、對(duì)石墨烯進(jìn)行化學(xué)改性、引入納米材料等多種方法來提高石墨烯氣凝膠的傳感性能。此外，研究表明，不同納米材料的引入可協(xié)同提高石墨烯氣凝膠的感應(yīng)性能和力學(xué)性能。因此，制備具有良好力學(xué)性能和傳感性能的石墨烯氣凝膠傳感器仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
在該研究中，研究人員采用堿處理后的PAN納米纖維（aPAN）與氧化石墨烯（GO）為前驅(qū)體，通過水熱還原的方式成功制備了一種納米纖維增強(qiáng)石墨烯氣凝膠（aPANF/GA）。該氣凝膠具有三維互聯(lián)的分層結(jié)構(gòu)，表面處理過的PAN納米纖維作為支撐支架貫穿整個(gè)石墨烯網(wǎng)絡(luò)。在還原氧化石墨烯（rGO）薄片之間嵌入良好的aPAN納米纖維作為支架，使氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到43.54 kPa。此外，由于aPAN納米纖維增強(qiáng)的rGO薄片不僅形成了薄片層，還形成了相鄰的壁，可以保持GA氣凝膠優(yōu)異的導(dǎo)電性，因此具有良好的傳感性能。這種納米纖維增強(qiáng)石墨烯氣凝膠具有28.62 kPa-1的高壓阻靈敏度和寬范圍（0-14 kPa）的線性靈敏度。當(dāng)其作為壓阻傳感器時(shí)，壓縮彈性很好，在3Pa下的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別快約37和14ms，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和傳感耐久性好，經(jīng)過2600次循環(huán)后，在20%壓縮應(yīng)變下，電流信號(hào)值為初始信號(hào)值的91.57%。此外，組裝好的傳感器可以監(jiān)測(cè)人體喉部、腕部脈搏、手指、手腕、膝關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)情況，表現(xiàn)出良好的靈敏度。這些優(yōu)異的性能在可穿戴設(shè)備和改善人機(jī)交互領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。
本文第一作者為我院研究生曹雪媛，潘凱研究員為本文的通訊作者。這項(xiàng)研究得到了山東省重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2019JZZY020218）的支持。
文獻(xiàn)信息：
Xueyuan Cao,?Juan Zhang, Siwei Chen, Russell John Varley, and Kai Pan. 1D/2D Nanomaterials?Synergistic, Compressible, and Response Rapidly 3D Graphene?Aerogel?for Piezoresistive Sensor[J].?Advanced Functional Materials, 2020:2003618.
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202003618
