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华南理工《ACS Sustainable Chem. Eng》:轻质和高弹性的碳气凝胶连接可再生纤维素纳米晶体

  • 来源:来自ACS Sustainable Ch
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  • 时间:2020-07-27 15:11:00

本文要点:

种简单而有效的从生物质CNC和KGM制备高压缩性和弹性碳气凝胶的方法

1成果简介 

    可压缩弹性碳气凝胶具有密度低、导电性好、孔隙率高、化学稳定性好等优点,在可穿戴储能和传感器件中备受关注。然而,现有的碳气凝胶由于结构工程的缺陷,其力学性能往往受到限制。本文,华南理工大学轻工科学与工程学院钟林新教授团队在《ACS Sustainable Chem. Eng》期刊发表名为“Linking Renewable Cellulose Nanocrystal into Lightweight and highly elastic Carbon Aerogel”的论文,研究提出了一种利用可再生纳米单元制备轻质高弹性碳气凝胶的有效途径。

    为了实现这一目标,机械性强的纤维素纳米晶(CNC)作为结构单元,而魔芋葡甘聚糖(KGM)将CNC连接成连续的、定向排列的波纹状层。层状结构以及CNC和KGM之间的相互作用产生了一种轻巧的碳气凝胶,具有超高的结构稳定性和优异的力学性能,优于石墨烯和CNT基碳气凝胶。具体来说,在50%的压缩应变下,10000次循环后,它可以保持100%的高度和90.6%的应力。它甚至可以承受高达90%的压缩应变1000个循环,而结构变形可以忽略不计。碳气凝胶独特的结构、优异的机械性能和高度灵敏的电流响应,使其能够准确检测人体生物信号。

2图文导读 

图1.制备C-KC碳气凝胶(a)可压缩性和弹性(b)

图2。C-KC(a)、C-KGM(b)和C-CNC(C)的SEM图像和示意模型。不同压缩循环下的应力应变曲线。C-KC在99%压缩应变(f)下的应力-应变曲线

图3. C-CNC,C-KGM和C-KC的拉曼光谱(a)。CNC,KGM和KC在惰性气氛中的典型TGA曲线(b)。

CNC,KGM和KC气凝胶的DTG曲线(c)。FTIR集成了KGM

(d),CNC(e)和KC(f)的H2O,CO2和CO的吸收曲线。

CNC和KGM在密封中的可能反应机理(g)。

图4. C-KC的超压缩性,弹性和抗疲劳性。

图5.压缩前C-KC的SEM图像(a)。C-KC在约80%压缩应变下的SEM图像(b)。拱结构(垂直于薄板方向)的变形

(c)和压力分布(d)的有限元模型。应用了沿薄板方向的拱结构变形(e)和压力分布(f)的有限元模型。

图6.不同压力下的电流响应(a)。传感器在不同压力下的电阻(b)。

在很大压力范围内的灵敏度(c)。组装可穿戴传感器的示意图和数码照片(d)

脉冲信号检测(间隔约0.9 s)(e)和高倍率脉冲信号(f)。

手指弯曲产生的电流信号(g)。来自跳跃的电流信号(h)。

在50%应变下的疲劳强度为3000个循环(i)。

 

3图文导读 

   综上所述,展示了一种简单而有效的从生物质CNC和KGM制备高压缩性和弹性碳气凝胶的方法。碳化后CNCs作为结构单元,而KGM将CNC碎片连接在一起,形成界面相互作用。CNC和KGM的协同作用使碳气凝胶具有有序、连续和波浪状的结构。这些波状片层可以经受较大的面外变形。制备的气凝胶具有超高的压缩性(>99%应变)、弹性、优异的抗疲劳性能(50%应变下>10000次循环)、稳定的应变-电流响应(>3000次循环)和高线性灵敏度(6.83 kPa-1)。出色的机械和感测特性使碳气凝胶可用于压力/应变传感器和可穿戴设备。