北京化工大學潘凱《AFM》：新型具有3D互連的分層微觀結構的納米纖維增強石墨烯氣凝膠

2020-09-10 高分子科學前沿

近日，北京化工大學材料學院潘凱研究員在國際權威期刊《Advanced Functional Materials》（IF= 16.836）上發表了題為「1D/2D Nanomaterials Synergistic, Compressible, and Response Rapidly 3D Graphene Aerogel for Piezoresistive Sensor」的研究論文，設計了一種新型的具有3D互連的分層微觀結構的納米纖維增強石墨烯氣凝膠。

石墨烯氣凝膠通常通過氧化石墨烯的還原與冷凍乾燥製備的。但是，氧化石墨烯在製備過程中容易發生團聚，使得氣凝膠孔隙結構不穩定，在較大形變使用時容易發生坍塌，限制其在壓阻傳感器領域的應用。目前，通過控制石墨烯氣凝膠的孔隙結構、對石墨烯進行化學改性、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同提高石墨烯氣凝膠的感應性能和力學性能。因此，製備具有良好力學性能和傳感性能的石墨烯氣凝膠傳感器仍然是一個挑戰。

在該研究中，研究人員採用鹼處理後的PAN納米纖維（aPAN）與氧化石墨烯（GO）為前驅體，通過水熱還原的方式成功製備了一種納米纖維增強石墨烯氣凝膠（aPANF/GA）。該氣凝膠具有三維互聯的分層結構，表面處理過的PAN納米纖維作為支撐支架貫穿整個石墨烯網絡。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，使氣凝膠的機械強度達到43.54 kPa。此外，由於aPAN納米纖維增強的rGO薄片不僅形成了薄片層，還形成了相鄰的壁，可以保持GA氣凝膠優異的導電性，因此具有良好的傳感性能。這種納米纖維增強石墨烯氣凝膠具有28.62 kPa-1的高壓阻靈敏度和寬範圍（0-14 kPa）的線性靈敏度。當其作為壓阻傳感器時，壓縮彈性很好，在3Pa下的響應和恢復時間分別快約37和14ms，結構穩定性和傳感耐久性好，經過2600次循環後，在20%壓縮應變下，電流信號值為初始信號值的91.57%。此外，組裝好的傳感器可以監測人體喉部、腕部脈搏、手指、手腕、膝關節的實時運動情況，表現出良好的靈敏度。這些優異的性能在可穿戴設備和改善人機互動領域有很大的應用潛力。

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。這項研究得到了山東省重大科技創新項目（2019JZZY020218）的支持。

文獻信息：

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.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202003618

來源：北京化工大學

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