超轻的弹性亲水纳米纤维素基复合碳气凝胶用于压缩超级电容器和应变传感器

近年来，可再生材料制成的柔性超级电容器和应变传感器在智能机器人、电子皮肤和健康监测等领域引起了广泛关注。然而，从绿色生物中制备具有可压缩性、亲水性和抗疲劳性的碳气凝胶仍然是一个巨大的挑战。

近日, 德国哥廷根大学Kai Zhang，美国奥本大学杜海顺，天津科技大学司传领，徐婷等人通过双向冷冻和随后的退火过程，开发了一种具有纤维素纳米丝(CNF)、碳纳米管(CNT)和还原氧化石墨烯(RGO)的导电碳气凝胶，实现了超低的密度和优异的亲水性，在超级电容器和应变传感器等应用领域具有出色的性能。

图1、a)CNF/CNT/RGO碳气凝胶的制备示意图。b)CNF、CNT和RGO相互作用示意图。c)冰晶生长机理示意图。d-f)CNF/CNT/RGO-3碳气凝胶的顶视图和g)侧视图SEM图像。h)超轻CNF/CNT/RGO气凝胶站在花上的光学图像。i)碳气凝胶的压缩和恢复过程。

【本文要点】

要点1. 得益于多孔结构和高的表面粗糙度，CNF/CNT/RGO碳气凝胶表现出超低的密度（2.64 mg cm^-3）和优异的亲水性（水接触角在106 ms时≈0°）。

要点2. 蜂窝状有序多孔结构可以有效地传递整个微观结构中的应力，从而赋予碳气凝胶高的可压缩性和抗疲劳性（50%应变下循环10000次）。

要点3. 这些气凝胶可以组装成压缩固态对称超级电容器，表现出优异的面积电容（0.4 mA cm^-2时为109.4 mF cm^-2）和出色的长循环压缩性能（50%压缩应变下5000次循环后为88%）。此外，气凝胶表现出良好的线性灵敏度（S=5.61 kPa^–1），并能准确捕捉人体生物信号，可以作为应变传感器。

这种CNF/CNT/RGO碳气凝胶将有望应用于可穿戴电子设备、电子皮肤和人体运动监测。

图2、a)闭合电路中不同应变下灯泡亮度的变化。b)线性灵敏度，工作压力范围为0-0.21 kPa。c)电流对不同压缩应变的响应。d)30%应变下2000次循环的电流稳定性。e)来自面部表情（正常、微笑和吹气）的电流信号。f)手指弯曲的电流信号（从0°到90°）。

Huayu Liu, et al. Multifunctional Superelastic, Superhydrophilic, and Ultralight Nanocellulose-Based Composite Carbon Aerogels for Compressive Supercapacitor and Strain Sensor. Adv. Funct. Mater., 2022, https://doi.org/10.1002/adfm.202113082