由于在單個(gè)結(jié)構(gòu)中具有一個(gè)(納米管)和兩個(gè)(石墨烯)尺寸特征的協(xié)同效應(yīng),極低密度的碳納米管/石墨烯混合氣凝膠(CNG)是用于制造柔性器件的高潛力活性材料。然而,克服低電導(dǎo)率和劣質(zhì)的CNG機(jī)械性能之間的長期難題仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
最近,中南林業(yè)科技大學(xué)吳獻(xiàn)章博士,和中科院蘭州化物所王金清研究員團(tuán)隊(duì)通過十二烷基硫酸鈉(SDS)的三重作用設(shè)計(jì),即錨定金屬離子,分散碳納米管和誘導(dǎo)自發(fā)光,可以輕而易舉地制造出具有出色的電子導(dǎo)電性和機(jī)械彈性的超輕CNG氣凝膠(1.52 mg cm-3)。結(jié)果表明,Ba2 可以通過與SDS偶聯(lián)以增強(qiáng)片間相互作用而有效地錨固在GO中間層中,從而顯著改善機(jī)械性能(楊氏模量高達(dá)18.3 kPa)。密度泛函理論計(jì)算表明,錨定的Ba2 作為分子橋可以有效地降低GO片之間的隧穿勢壘,并促進(jìn)電子的多方向和快速傳輸,從而導(dǎo)致CNG的高電導(dǎo)率(12.55 S cm-1)。利用這些功能,已經(jīng)證明了利用非凡的CNG作為活性材料在柔性傳感設(shè)備中的潛在應(yīng)用,具有非凡的傳感性能,包括高靈敏度(48.6 kPa-1),超低檢測限(10 Pa)和超快響應(yīng)( 18 ms)。
相關(guān)論文以題為Ultralight GO-Hybridized CNTs Aerogels with Enhanced Electronic and Mechanical Properties for Piezoresistive Sensors發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖1.(a)制作K-CNG的示意圖。(b)Ba(DS)2-CNT的示意圖。(c)超輕量(ρ= 1.52 mg cm–3)的K-CNGs氣凝膠站在蒲公英上。
圖2. GO薄板中的層間錨定Ba2 。
圖3.樣品的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分表征。(a)TEM和(b)K-CNG的放大TEM圖像。(c)P-CNG和K-CNG的拉曼光譜。(d)K-CNG,(e)GO氣凝膠和(f)P-CNG的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖4.密度為1.52 mg cm-3的各種樣品的機(jī)械性能。
圖5. K-CNG的電子特性。
圖6.基于K-CNG的壓阻傳感器的傳感性能。
【總結(jié)】
團(tuán)隊(duì)采用了三重作用設(shè)計(jì)的SDS,配備了錨定金屬離子,分散碳納米管和誘導(dǎo)自組裝,展示了具有集成特征的超低密度K-CNG,包括高電子電導(dǎo)率(12.55 S cm–1),出色機(jī)械性能(楊氏模量高達(dá)18.3 kPa)和遠(yuǎn)程有序分層結(jié)構(gòu)。所有結(jié)果都證明了錨定的Ba2 在增強(qiáng)機(jī)械性能和電子傳導(dǎo)性方面均提供了便利,為克服超低密度K-CNGs在彈性和電子傳導(dǎo)性方面長期存在的困境提供了便捷的途徑。綜上所述,這些特性使K-CNG可以用作制造壓力傳感器的活性材料,該傳感器具有10 Pa的低檢測極限,超快的響應(yīng)時(shí)間(18 ms)和令人著迷的人體檢測功能。團(tuán)隊(duì)希望該制造策略可能會(huì)提供一種制備其他高性能CNG的有效方法,從而開創(chuàng)了用于柔性傳感設(shè)備的活性材料的新紀(jì)元。