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：

——科学家、企业家、IT行业工程师的摇篮

咨询电话：

020-39380203 高老师

020-39380283-3617 周老师

学院网址：[http://www.scut.edu.cn/cs]

学院介绍

双一流大学国家名牌特色专业

华南理工大学是我国高等学校最早从事计算机科研与教学的单位之一，1958年开始计算机科学研究工作，1960年设立计算机专业， 1981年成立计算机科学与工程系，2001年成立计算机科学与工程学院， 2016年计算机学科进入ESI全球排名前1%，且位次不断上升，2020年初排名百分位已进入25.57%。学院拥有计算机科学与技术一级学科博士点和博士后科研流动站，计算机科学与技术学科为广东省一级重点学科，拥有科技部重点领域创新团队（机器智能创新团队）、广东省计算智能与网络空间信息重点实验室、广东省计算机网络重点实验室、广东省大数据分析与处理工程技术研究中心、广东高校海量大数据的智能信息处理与安全工程技术研究中心、广东省信息访问与传输安全工程技术研究中心、广东省人工智能中医工程技术研究中心、广东省计算机实验教学示范中心等教学科研基地。学院设置有计算机科学与技术（国家一流专业建设点、国家特色专业、国家卓越工程师计划、广东省重点专业、广东省特色专业、广东省名牌专业）、网络工程（国家特色专业、广东省一流专业建设点、广东省特色专业）、信息安全3个本科专业。2008年通过国家教育部工程教育专业认证。2014年“计算机创新人才培养模式的探索与实践”获广东省教学成果一等奖。

师资实力雄厚

科研能力突出

学院现有专任教师82人，其中教授28人，副教授41人；拥有欧洲科学院院士1人，IEEE Fellow 1人，国家优青3人，广东省青年珠江学者2人，广东省自然科学基金杰出青年6人，广州市珠江科技新星4人。

学院建立了计算机网络、多媒体技术与图形图像处理、信息安全、机器学习与数据挖掘、视听觉与服务计算、先进计算体系结构、高性能计算与海量信息处理、移动软件开发环境、智能技术与机器人、智能计算机共10个学术团队，先后承担了一大批国家“973”计划、国家支撑计划、国家自然科学基金、国家“863”计划、国家（广东省）自然科学基金等项目，近5年科研经费近亿元。自2012年以来，累计获得国家科技奖项2项、省部级科技奖18项，学院已成为国家计算机科学与技术重要的人才培养和科学研究基地。

利用科研优势

创新人才培养模式

学院采取本科生全程导师制，引导学生积极投入科研项目和科技竞赛，与著名IT巨头建立了实质性的校外实习基地，加强产学研合作，并先后与美、英、新及香港等境内外高校建立了教学科研合作，培养具有国际视野的创新人才。

学生收获颇丰

涌现大批优秀校友

近年来，学院以“大师+团队”的科研团队为依托，学生课外科技创新活动开展得如火如荼，在中国“互联网+”创新创业大赛、ACM/ICPC国际大学生程序设计大赛、国际大学生数学建模竞赛、全国网络安全攻防大赛、全国高校趋势科技百万程序竞赛、海峡两岸机器人足球竞赛、中国机器人暨RoboCup公开赛和国际大学生物联网创新创业大赛等高级别赛事取得优秀成绩。

学院学生就业历年在全国名列前茅，优秀校友犹如雨后春笋，遍及海内外，30多年来，学院已培养近万名工程师、知名企业家、专家、学者和领导干部。特别是近些来，众多新生代的计算机学院杰出校友活跃于各行各业，推动传统产业、行业与IT、互联网、人工智能等新技术的加速融合，为中国制造和我国经济社会发展进步贡献才智，包括腾讯公司前高级执行副总裁兼首席技术官张志东，广州UC优视科技有限公司（现阿里巴巴移动事业群）联合创始人梁捷、何小鹏，盈世信息科技有限公司（网易邮箱）CEO陈磊华、CTO陈颖棠，广东威创视讯科技股份有限公司总裁、总经理何正宇，京华网络有限公司总裁谢小能，福布斯中国30位30岁以下创业者称号、广州优蜜信息科技有限公司CEO陈第，第三届中国“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛金奖-荔枝微课项目负责人、广州森季软件科技有限公司创始人黄冠，石头科技董事长昌敬等等。

---