近日，天津科技大學輕工科學與工程學院司傳領教授團隊及其合作者，針對MXene氣凝膠導電性能和力學性能較差的問題，提出利用纖維素納米纖維（CNF）與MXene的氫鍵協同作用，基于雙向凍結的方法構建了具有工程仿生結構的多功能、高導電以及超彈性CNF/CNT/MXene氣凝膠，相關論文以題為“Nanocellulose?Assisted Constructionof Multifunctional MXene?Based Aerogelswith Engineering Biomimetic Texture for PressureSensor and Compressible Electrode”發表在材料科學領域頂級期刊《Nano-Micro Letters》上，并被期刊遴選為封面文章（Cover Story，圖1）。該論文第一作者為天津科技大學輕工科學與工程學院教師徐婷，通訊作者為司傳領，天津科技大學為第一作者和通訊作者單位，美國及德國合作者參與了部分工作。

圖1. 論文被遴選為Nano-Micro Letters期刊封面文章（Cover Story）

MXene氣凝膠可通過直接冷凍干燥或超臨界干燥得到，然而，由表面官能團(-O，-OH，-F等)產生的相對較弱的靜電排斥相互作用不能有效平衡MXene納米片平面間強范德華相互作用，這使得在氣凝膠制備過程中，MXene納米片不可避免地開始聚集和重新堆積。緊湊的自堆積結構阻礙了三維框架中的電子傳輸和應力傳遞，導致導電性能和力學性能較差。而且，基于MXene氣凝膠的多功能平臺的開發還處于起步階段，有效的結構設計對于構建功能碳氣凝膠具有重要意義。

圖2. （a）CNF/CNT/MXene氣凝膠制備示意圖；（b）放置在蒲公英頂部的輕質CNF/CNT/MXene氣凝膠的照片；（c）MXene和不同CNF/CNT/MXene氣凝膠的FTIR及（d）XRD圖譜

基于以上考慮，此研究以天然木材的層次化管胞狀結構為靈感，將具有綠色環保特性、大長徑比以及豐富的含氧官能團的CNF作為功能材料的組分，采用雙向凍結的方法制備了具有工程仿生結構的多功能CNF/CNT/MXene氣凝膠，展示出優異的機械強度和高導電性（圖2）。首先，CNF與MXene之間的靜電斥力可避免MXene納米片的堆疊；其次，纏繞的CNF與CNT作為“砂漿”與管胞結構的MXene“磚塊”結合可產生良好的界面相互作用；再者，有序的工程結構可有效實現電子傳輸和應力傳遞。復合氣凝膠作為應變傳感器電極，具有高達817.3 kPa-1的線性靈敏度，在人體運動和生理監測方面具有廣闊的應用前景（圖3）。此外，CNF/CNT/MXene氣凝膠可用于固態可壓縮超級電容器，并表現出顯著的電化學性能，包括高比電容（849.2 mF cm-2），優異的循環穩定性（10000次循環后電容保留率為88%）和良好的機械靈活性。

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圖3. （a）相對電流的變化與壓力傳感器線性靈敏度的關系；（b）20%-80%不同壓縮應變下的電流響應；（c）電流穩定性在20%應變2000循環；（d）應用于人類行為監測的圖解；電流信號來自（e）肘部擺動，（f）手腕彎曲，（g）正常工作，（h）手指接觸

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來源：天津科技大學

原文始發于微信公眾號（艾邦氣凝膠論壇）：天津科技大學在多功能氣凝膠領域取得研究進展