华南理工大学：新方法制备碳气凝胶，用于柔性电子器件

本文要点：

提出一种纳米纤维碳连接方法，通过气泡模板法制备超轻 rGO/CNF 碳气凝胶（CAG）。

成果简介

超轻、高压缩性和超弹性的碳材料在可穿戴和柔性电子器件中有很大的应用前景，但由于碳材料的脆性，其制备仍然是一个挑战。 华南理工大学刘传富教授团队在《CHEMNANOMAT》 期刊发表名为“Enhancing the Mechanical Performance of Reduced Graphene Oxide Aerogel with Cellulose Nanofibers”的论文， 研究通过 增强纤维素纳米纤维 (CNF) 的氧化石墨烯 (GO) 液晶稳定气泡成功制备了超低密度、高机械性能的碳气凝胶 。

还原氧化石墨烯（rGO）纳米片中引入CNF后，通过焊接效应增强了rGO纳米片之间的相互作用，限制了rGO纳米片的滑移和微球之间的剥离，从而显著提高了材料的力学性能。所制备的碳气凝胶具有超高的压缩性（高达99%的应变）和弹性（在50%应变下10000次循环后90.1%的应力保持率和99.0%的高度保持率），通过各种方法制备的碳气凝胶均优于现有的气泡模板碳气凝胶和许多其它碳材料。这种结构特征导致了快速稳定的电流响应和对外部应变和压力的高灵敏度，使碳气凝胶能够检测非常小的压力和从手指弯曲到脉搏的各种人体运动。这些优点使得碳气凝胶在柔性电子器件中具有广阔的应用前景。

图文导读

图1、rGO/CNF 碳气凝胶的制备示意图（a）和 CNF 之间以及 CNF 和 GO 之间的相互作用（b）。没有 (c) 和 (d) 交叉偏振器的 GO/CNF 气泡乳液的 POM 图像。CAG (e) 的 SEM 图像。超轻 CAG 立在花瓣上的照片 (f)。

图2.GO (a) 和 CNF (b) 的 AFM 图像和相应的高度图像。GO（c 和 d）和 GO/CNF（e 和 f）的 SEM 图像显示了 CNF 在起皱的 GO 纳米片中的分布。rGO (g) 和 rGO/C-CNF (h) 的 TEM 图像揭示了 C-CNF 在 rGO 纳米片中的均匀分布。

图3.宏观可视化显示 rGO/CNF 碳气凝胶的超弹性（a）。具有不同 CNF 含量的碳气凝胶的密度（b）。AG 和 CAG-X 在 50% 应变下的应力-应变曲线 (c)。AG 和 CAG-X 在 50% 应变下经过 1000 次压缩循环后的应力保持率和高度保持率（d）。AG、CAG-5、CAG-10、CAG-20、CAG-30 和 CAG-50 (e) 的 SEM 图像。

图4、说明 AG (a) 和 CAG (b) 的可压缩性和弹性机制的示意图。CNF碳纳米纤维将rGO纳米片焊接在一起，限制了rGO纳米片的滑动，从而提高了机械强度和抗疲劳性。rGO/CNF 纳米片的有限元模拟（c）。

图5、CAG-20 具有超强的压缩性、弹性和抗疲劳性。CAG-20 在不同压缩应变下的应力-应变曲线 (a)。50% 应变下 1、1000、10000 和 20000 次循环的应力-应变曲线 (b)。极端应变为 99% 时的应力-应变曲线 (c)。90% 应变下 200 次循环的应力-应变曲线 (d)。CAG-20 压缩前的 SEM 图像（e）。CAG-20 在 50% 应变下经过 20,000 次压缩循环后的 SEM 图像 (f)。各种碳材料的应力/密度指数 (g)、应力保持率 (h) 和高度保持率 (i) 的比较。

图6.应变/应力——CAG-20 的电流响应和灵敏度。应变为 10% 至 70% (a) 时的电流强度。在 50% 应变和 1 V 的恒定电压下，1000 次循环的电流输出 (b)。0-100 Pa 时的线性灵敏度（插入：0.1-7 kPa 时的灵敏度）(c)。组装基于 CAG-20 的传感器 (d)。来自轻压 (e)、手指弯曲 (f)、肘部弯曲 (g) 和面部表情 (h) 的电流信号。脉搏信号检测（i）。

小结

综上所述，通过GO液晶的气泡模板法制备了具有低密度、高机械和传感性能的rGO/CNF碳气凝胶。碳化的 CNF 通过增强 rGO 纳米片之间的相互作用，在提高碳气凝胶的机械强度和结构稳定性方面发挥着至关重要的作用。 碳气凝胶表现出超高的压缩性和弹性，以及抗疲劳性。高机械性能和稳定的微观结构赋予碳气凝胶快速稳定的电流响应和高灵敏度。因此，它在用于检测生物信号的可穿戴设备中具有巨大的应用潜力。

链接：https://doi.org/10.1002/cnma.202100150

文献：

世界最轻固体气凝胶，一捏就碎却耐1400度高温，它到底有多神奇呢？

你知道世界上最轻的固体是什么吗？一张纸，一根羽毛，还是一粒米？都不是，而是一种叫做气凝胶的材料，它比空气还轻，看起来像一团冻住的烟。说到这里，大家不免好奇，气凝胶是什么？为什么它是世界上最轻的固体？

首先，我们要了解什么是凝胶。凝胶是一种弹性半固体、浓度很高的液体，在聚合物的作用下失去流动性后就成了凝胶。生活中最常见的凝胶就是果冻，它的内部是细腻的立体网状结构，含有99%以上的水。1931年，美国科学家受到果冻启发，将硅凝胶用极限干燥工艺脱取液体，换成砌体，填充它的网格空隙，就形成了硅气凝胶。它的成分和玻璃一样，都是二氧化硅，但二氧化硅含量不足1%，其余99.8%都是空气，是目前世界上已知密度最小的材料之一，经过90多年的发展，气凝胶已经有硅系、碳系、金属系等多种类型。

事实上，只要凝胶经干燥处理后还可以保持原有形状的，就都可以称为气凝胶。虽然他们看起来弱不禁风，但实际上非常坚固耐用，几乎可以承受自身质量几千倍的压力。比如一片两克的气凝胶就可以支撑起二点五千克的砖头。除此之外，它纳米级别的网格结构具有很强的隔绝空气能力，绝缘能力比最好的玻璃纤维还强39倍。

这一点正是气凝胶成为绝佳防寒材料的原因，三纳米厚的气凝胶防寒服就可以抵抗零下196摄氏度的冷空气轻袭，而且因为主要成分是空气，气凝胶的导热性和折射率很低，熔点更是高达1400度。有人做过这样一个实验，在气凝胶片上放一片花瓣用火枪烤气凝胶，可以明显的看到花瓣在慢慢枯萎，而直面火焰的气凝胶却没有任何变化，这个特性也让气凝胶成为了航天探测中不可缺少的材料，它的隔热性能可以最大程度的减少航天器与大气层摩擦产生的热量，从而更好地保护航天器，延长使用寿命。

目前我国很多航天探测器上都已经使用了气凝胶，例如祝融号火星车以及火星探测器天问一号。在这项技术上，我们从一开始的被限制到自主创新，再到自立自强，中国科学家又让我们见识到了中国速度。2013年，浙江大学高分子系高超教授的课题组利用踏纳米馆以及石墨烯研制出了一种超轻气凝胶碳海绵，密度为每立方厘米0.16毫克，约是空气密度的1/7，刷新了世界上最轻材料的记录。

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