氣凝膠因其輕質、高比表面積和高孔隙率而在建筑、航空航天、軍事和能源領域有著廣泛的應用前景。然而，高孔隙率往往導致氣凝膠機械強度不足，限制了其應用范圍。在這里制備了一種通過鹽析效應誘導密集橋接的機械強度高的MXene/纖維素納米晶體復合氣凝膠。首先，通過氫鍵將MXene片與纖維素分子鏈橋接起來，進一步通過鹽析效應促進氫鍵形成，構建了更密集的橋接。通過增強氫鍵作用，減少了MXene片層間距并改善了其取向，有效提高了多孔結構的能量耗散能力。該氣凝膠展現了72.4 MPa的楊氏模量和342.0 kN m/kg的比模量。此外，該氣凝膠作為摩擦電材料，構建了高度穩健的摩擦電納米發電機。本研究為制備機械強度高的氣凝膠提供了一種有效的策略。
Fig 1. 摩擦電氣凝膠的設計。(a) 密集橋接形成的示意圖。(b) 密集橋接的調控策略。(c) 各種纖維素氣凝膠機械性能的比較。(d) 摩擦電氣凝膠結構的示意圖及其在自供電可穿戴傳感中的應用。
Fig 2. 摩擦電氣凝膠的制備和表征。(a) 摩擦電氣凝膠組裝過程的示意圖。(b) Salting-out/MXene/CNC 摩擦電氣凝膠的輕量特性和(c) EDS 映射圖像。(d) Salting-out/MXene/CNC 摩擦電氣凝膠的 SEM 側視圖像。(e) 氣凝膠的平均孔徑比較。(f) 氣凝膠的壓縮應力-應變曲線。(g) 氣凝膠的楊氏模量和(h) 氣凝膠的特定模量。
Fig 3. 密集橋接的構建。(a) 緊湊橋的示意圖。(b) 在模擬壓縮過程中 Salting-out/MXene/CNC 氣凝膠的模型快照。(c) 氣凝膠的 FTIR 光譜。(d) MXene 薄膜、MXene/CNC 氣凝膠和 Salting-out/MXene/CNC 氣凝膠的 XRD 圖譜。(e) CNC 氣凝膠、MXene/CNC 氣凝膠和 Salting-out/MXene/CNC 氣凝膠的 XRD 圖譜。入射 Cu–Kα X 射線束平行于片狀平面，002 峰的相應方位掃描圖譜的 WAXS 圖譜(f) MXene 薄膜，(g) MXene/CNC 氣凝膠，(h) Salting-out/MXene/CNC 氣凝膠。
Fig 4. 機械強度氣凝膠的摩擦電特性及應用。(a) 自供電傳感器的組成和應用示意圖。(b) 摩擦電特性的比較。(c) 不同壓力下 TENG 的輸出性能。(d) TENG 的響應時間。(e) 傳感器在行走或跳躍狀態下的電壓值。自供電傳感器用于監測(f) 不同的手指運動和(g) 不同的腿部彎曲角度。(h) 不同角度彎曲手臂的循環測試。(i) 不同彎曲頻率下循環測試的電壓值。
相關研究工作由廣西大學Shuangxi Nie團隊于2024年在線發表在《Nano Letters》期刊上，Mechanically Robust Triboelectric Aerogels Enabled by Dense Bridging of Mxene，原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04401
轉自《石墨烯研究》公眾號
