《AM》：具有3D互连的分层微观结构的纳米纤维增强石墨烯气凝胶

近日，北京化工大学材料学院潘凯研究员在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》（IF= 16.836）上发表了题为“1D/2D Nanomaterials Synergistic, Compressible, and Response Rapidly 3D Graphene Aerogel for Piezoresistive Sensor”的研究论文，设计了一种新型的具有3D互连的分层微观结构的纳米纤维增强石墨烯气凝胶。石墨烯气凝胶通常通过氧化石墨烯的还原与冷冻干燥制备的。但是，氧化石墨烯在制备过程中容易发生团聚，使得气凝胶孔隙结构不稳定，在较大形变使用时容易发生坍塌，限制其在压阻传感器领域的应用。目前，通过控制石墨烯气凝胶的孔隙结构、对石墨烯进行化学改性、引入纳米材料等多种方法来提高石墨烯气凝胶的传感性能。此外，研究表明，不同纳米材料的引入可协同提高石墨烯气凝胶的感应性能和力学性能。因此，制备具有良好力学性能和传感性能的石墨烯气凝胶传感器仍然是一个挑战。在该研究中，研究人员采用碱处理后的PAN纳米纤维（aPAN）与氧化石墨烯（GO）为前驱体，通过水热还原的方式成功制备了一种纳米纤维增强石墨烯气凝胶（aPANF/GA）。该气凝胶具有三维互联的分层结构，表面处理过的PAN纳米纤维作为支撑支架贯穿整个石墨烯网络。在还原氧化石墨烯（rGO）薄片之间嵌入良好的aPAN纳米纤维作为支架，使气凝胶的机械强度达到43.54 kPa。此外，由于aPAN纳米纤维增强的rGO薄片不仅形成了薄片层，还形成了相邻的壁，可以保持GA气凝胶优异的导电性，因此具有良好的传感性能。这种纳米纤维增强石墨烯气凝胶具有28.62 kPa-1的高压阻灵敏度和宽范围（0-14 kPa）的线性灵敏度。当其作为压阻传感器时，压缩弹性很好，在3Pa下的响应和恢复时间分别快约37和14ms，结构稳定性和传感耐久性好，经过2600次循环后，在20%压缩应变下，电流信号值为初始信号值的91.57%。此外，组装好的传感器可以监测人体喉部、腕部脉搏、手指、手腕、膝关节的实时运动情况，表现出良好的灵敏度。这些优异的性能在可穿戴设备和改善人机交互领域有很大的应用潜力。本文第一作者为我院研究生曹雪媛，潘凯研究员为本文的通讯作者。这项研究得到了山东省重大科技创新项目（2019JZZY020218）的支持。