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  三維多孔MXene氣凝膠因其重量輕、導(dǎo)電性高、機(jī)械柔韌性好等優(yōu)異的特性，在傳感器、電子皮膚、可穿戴設(shè)備、隔熱、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，單純的MXene氣凝膠力學(xué)性能較差，難以適用于實(shí)際，并且在不斷變化的環(huán)境條件下同時(shí)保持超彈性和優(yōu)異的壓阻效應(yīng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。首先合成的氣凝膠的機(jī)械性能是其作為可靠以及耐久的傳感器的基本要求。再者材料的選取以及多尺度對氣凝膠進(jìn)行設(shè)計(jì)使氣凝膠傳感器具有良好的傳導(dǎo)性能，耐久性，高低頻檢測性能等機(jī)電響應(yīng)性能，并且實(shí)現(xiàn)了疏水和高低溫環(huán)境下穩(wěn)定的附加功能。

  在此, 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所官輪輝研究員團(tuán)隊(duì)以海藻酸鈉(SA)為MXene納米片的粘結(jié)劑，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為補(bǔ)強(qiáng)劑，制備了具有高導(dǎo)電性、優(yōu)異的回彈性、可靠的隔熱性能和良好的疏水性的SA/MXene/PDMS (SMP)復(fù)合氣凝膠。MXene納米片與SA之間的相互作用增強(qiáng)了氣凝膠的3D網(wǎng)絡(luò)框架。采用改進(jìn)的定向冷凍法制備的具有層-支網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氣凝膠具有重量輕、靈敏度高(37.43- kPa-1)、顯著的可逆性壓縮(70%)和優(yōu)異的抗疲勞性能(60000次循環(huán))等特點(diǎn)。基于SMP復(fù)合氣凝膠的壓阻式傳感器可以快速響應(yīng)壓力/應(yīng)變信號，可進(jìn)一步用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、和人體健康監(jiān)測。此外，該MXene氣凝膠傳感器可以檢測低到高頻的振動(dòng)信號（0.5-900Hz），使其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械速度檢測、懸臂梁振動(dòng)檢測、懸臂梁的無損檢測以及其他工程應(yīng)用中發(fā)揮作用。由于其層狀孔隙結(jié)構(gòu)和PDMS的輔助，氣凝膠還具有較大的水接觸角(119°)和極端的環(huán)境適應(yīng)性(-40至80℃)，使其更能適用于實(shí)際應(yīng)用。

【SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的合成表征與機(jī)械性能】

圖1. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的合成與機(jī)械性能。

【SMP氣凝膠的機(jī)電響應(yīng)性能】

圖2. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的機(jī)電響應(yīng)特性。

【SMP氣凝膠傳感器的多功能應(yīng)用】

圖4. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的人體健康監(jiān)測應(yīng)用以及電子皮膚應(yīng)用。

【SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的環(huán)境穩(wěn)定性】

圖5. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的環(huán)境穩(wěn)定性。

  綜上所述，采用雙梯度冷凍鑄造和冷凍干燥的方法制備了層狀、輕質(zhì)、導(dǎo)電的SMP氣凝膠。該氣凝膠不僅具有0.05g cml的低體積密度，而且具有優(yōu)異的壓縮回彈性(70%應(yīng)變)。使用該氣凝膠構(gòu)建的壓阻式傳感器在高達(dá)50 kPa的寬壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)出令人印象深刻的壓力靈敏度(37.4 kPa)和應(yīng)變GF值(435)，在超過60,000次循環(huán)測試后具有出色的穩(wěn)定性。由于碳基導(dǎo)電材料的頻率響應(yīng)特性，該傳感器可以檢測從低到高頻(0.5 ~ 900 Hz)的振動(dòng)信號。可用于實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和健康疾病診斷。同時(shí)也可用于工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)檢測和設(shè)備的無損檢測。此外，氣凝膠獨(dú)特的內(nèi)部層-分支多孔結(jié)構(gòu)，加上PDMS的引入，提供了出色的隔熱和疏水性(水接觸角119，使其能夠承受高低溫操作環(huán)境(-40至80℃)。憑借這些特點(diǎn)，這種氣凝膠在各種領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，包括可穿戴設(shè)備，電子皮膚和工程應(yīng)用等。

  該研究以題為“Multifunctional, Superelastic, and Environmentally Stable Sodium Alginate/MXene/Polydimethylsiloxane Aerogels for Piezoresistive Sensor”的論文發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者是福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院-中科院福建物構(gòu)所聯(lián)合培養(yǎng)博士韓松久。通訊作者為中科院福建物構(gòu)所的黃建仁博士和官輪輝研究員。

  該工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院楊曉翔教授對該研究提供了幫助和指導(dǎo)。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144551

  官輪輝研究員課題組網(wǎng)站：https://www.x-mol.com/groups/Guan_lunhui