華南理工：輕質和高彈性的碳氣凝膠連接可再生纖維素納米晶體

本文要點：

一種簡單而有效的從生物質CNC和KGM製備高壓縮性和彈性碳氣凝膠的方法

成果簡介

可壓縮彈性碳氣凝膠具有密度低、導電性好、孔隙率高、化學穩定性好等優點，在可穿戴儲能和傳感器件中備受關注。然而，現有的碳氣凝膠由於結構工程的缺陷，其力學性能往往受到限制。本文，華南理工大學輕工科學與工程學院鍾林新教授團隊在《ACS Sustainable Chem. Eng》期刊發表名為「Linking Renewable Cellulose Nanocrystal into Lightweight and highly elastic Carbon Aerogel」的論文，研究提出了一種利用可再生納米單元製備輕質高彈性碳氣凝膠的有效途徑。

為了實現這一目標，機械性強的纖維素納米晶（CNC）作為結構單元，而魔芋葡甘聚糖（KGM）將CNC連接成連續的、定向排列的波紋狀層。層狀結構以及CNC和KGM之間的相互作用產生了一種輕巧的碳氣凝膠，具有超高的結構穩定性和優異的力學性能，優於石墨烯和CNT基碳氣凝膠。具體來說，在50%的壓縮應變下，10000次循環後，它可以保持100%的高度和90.6%的應力。它甚至可以承受高達90%的壓縮應變1000個循環，而結構變形可以忽略不計。碳氣凝膠獨特的結構、優異的機械性能和高度靈敏的電流響應，使其能夠準確檢測人體生物信號。

圖文導讀

圖1.製備C-KC碳氣凝膠（a）可壓縮性和彈性（b）

圖2。C-KC（a）、C-KGM（b）和C-CNC（C）的SEM圖像和示意模型。不同壓縮循環下的應力應變曲線。C-KC在99%壓縮應變（f）下的應力-應變曲線

圖3. C-CNC，C-KGM和C-KC的拉曼光譜（a）。CNC，KGM和KC在惰性氣氛中的典型TGA曲線（b）。CNC，KGM和KC氣凝膠的DTG曲線（c）。FTIR集成了KGM（d），CNC（e）和KC（f）的H2O，CO2和CO的吸收曲線。CNC和KGM在密封中的可能反應機理（g）。

圖4. C-KC的超壓縮性，彈性和抗疲勞性。

圖5.壓縮前C-KC的SEM圖像（a）。C-KC在約80％壓縮應變下的SEM圖像（b）。拱結構（垂直於薄板方向）的變形（c）和壓力分布（d）的有限元模型。應用了沿薄板方向的拱結構變形（e）和壓力分布（f）的有限元模型。

圖6.不同壓力下的電流響應（a）。傳感器在不同壓力下的電阻（b）。在很大壓力範圍內的靈敏度（c）。組裝可穿戴傳感器的示意圖和數碼照片（d）脈衝信號檢測（間隔約0.9 s）（e）和高倍率脈衝信號（f）。手指彎曲產生的電流信號（g）。來自跳躍的電流信號（h）。在50％應變下的疲勞強度為3000個循環（i）。

小結

綜上所述，展示了一種簡單而有效的從生物質CNC和KGM製備高壓縮性和彈性碳氣凝膠的方法。碳化後CNCs作為結構單元，而KGM將CNC碎片連接在一起，形成界面相互作用。CNC和KGM的協同作用使碳氣凝膠具有有序、連續和波浪狀的結構。這些波狀片層可以經受較大的面外變形。製備的氣凝膠具有超高的壓縮性（>99%應變）、彈性、優異的抗疲勞性能（50%應變下>10000次循環）、穩定的應變-電流響應（>3000次循環）和高線性靈敏度（6.83 kPa-1）。出色的機械和感測特性使碳氣凝膠可用於壓力/應變傳感器和可穿戴設備。