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：

纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的具有一定长径比的线状材料，此外，将纳米颗粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维也称为纳米纤维。

狭义上讲，纳米纤维的直径介于1nm到100nm之间，但广义上讲，纤维直径低于1000nm的纤维均称为纳米纤维。

制造纳米纤维的方法有很多，如拉伸法、模板合成、自组装、微相分离、静电纺丝等。其中静电纺丝法以操作简单、适用范围广、生产效率相对较高等优点而被广泛应用。

扩展资料：

纳米纤维到底有何特点，多数材料小到以纳米论长短时，其本身的物理和化学性能将有所改变，主要表现在：

1、表面效应 粒子尺寸越小，表面积越大，由于表面粒子缺少相邻原子的配位，因而表面能增大极不稳定，易与其他原子结合，显出较强的活性。

2、小尺寸效应 当微粒的尺寸小到与光波的波长、传导电子的德布罗意波长和超导态的相干长度透射深度近似或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，粒子的声、光、电磁、热力学性质将会改变，如熔点降低、分色变色、吸收紫外线、屏蔽电磁波等。

3、量子尺寸效应 当粒子尺寸小到一定时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，此时，原为导体的物质有可能变为绝缘体，反之，绝缘体有可能变为超导体。

参考资料：百度百科---纳米纤维

成果简介

室温钠硫电池（RT/Na-S）由于其高能量密度、低成本以及地球上丰富的钠和硫储量，被认为是有前途的大型固定式储能系统。然而，多硫化物的扩散和转化反应的缓慢动力学仍然是其应用的主要挑战。 本文，华南理工大学彭新文教授课题组在《Cabron Energy》期刊 发表名为“Cellulose nanofiber-derived carbon aerogel for advanced room-temperature sodium–sulfur batteries”的论文，研究开发了 一种轻质、多孔的三维 (3D) N,S 共掺杂纤维素纳米纤维衍生的碳气凝胶 (NSCA) 作为多功能隔膜，以抑制 RT/Na-S电池中NaPSs 的穿梭效应并提高氧化还原动力学 。

在水热过程中，作为增强剂的氧化石墨烯（GO）和纤维素纳米纤维 (CNF) 组装成3D互连的多孔框架，并使用传统的造纸工艺将所制备的 NSCA 涂覆到GF膜上。分层多孔结构和良好的电子导电性使NSCA成为阻挡层和扩展集流体，从而提高了活性材料的利用率。同时，3D互连的石墨烯网络可以促进快速的电/离子传输和足够的电解质渗透。而且，密度泛函理论 (DFT) 计算和实验研究表明，碳骨架中的共掺杂N和S可以通过化学吸附增强多硫化物的锚定能力并加速多硫化物转化的氧化还原动力学。凭借这些有利的优势，基于NSCA@GF隔膜的RT/Na-S电池具有出色的电化学性能，包括高比容量、优异的循环稳定性、优异的倍率性能和长循环寿命。

图文导读

图1、NSCA的制备过程和形态特征的示意图

图2、NSCA复合材料和NSCA@GF隔板的表征

图2、多功能隔膜的多硫化物捕集能力

图4、具有 NSCA@GF隔膜的RT/Na-S电池的电化学性能

图5、多硫化物在NSCA上的吸附和转化

图6、NSCA与NaPSs/S 8的理论计算

小结

综上所述，本文构建了一种轻质多孔NSCA作为多功能隔膜，用于先进的 RT/Na-S电池。NSCA 的3D互连石墨烯框架提供了分层多孔结构、高电子导电性和有利的 N、S 共掺杂。NSCA 可以作为阻挡层和膨胀的集流体来增加硫的利用率，从而抑制穿梭效应并提高 NaPSs 的氧化还原动力学。在实验和 DFT 理论研究的基础上，NSCA 显示出优异的多硫化物锚定能力和多硫化物转化的快速反应动力学。结果，使用 NSCA@GF 隔膜组装的 Na-S 纽扣电池提供了高达 788.8 mAh g -1的可逆放电容量在 0.1C后100次循环和长期循环稳定性，在1C下超过 1000次循环后容量衰减率为 0.059% 的超低容量衰减率。本研究为开发多功能分离器提供了一个有前途的界面策略，以开发高性能RT/Na–S电池，应用于电网规模的固定式储能装置。

文献：

https://doi.org/10.1002/cey2.203

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