重庆交大：氮掺杂石墨烯复合气凝胶，用于灵敏的压力传感器

成果简介

在竞争激烈的智能电子时代，对具有可靠机械性能和高响应灵敏度的可压缩多功能碳气凝胶的需求日益增长。本文，重庆交通大学向旭团队等在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Highly Compressible, Light-Weight and robust Nitrogen-Doped graphene composite aerogel for sensitive pressure sensors”的论文，研究提出了一种新型氮掺杂石墨烯复合气凝胶，该气凝胶具有优异的坚固性、弹性和轻质特性。其合成过程包括将氧化石墨烯（GO）、多巴胺（DA）和聚苯胺（PANI）的分散体结合在一起，然后进行化学还原、90 °C交联、冷冻干燥和退火。

柔性DA与石墨烯片的结合增强了复合凝胶的韧性，而PANI与石墨烯片之间的π-π堆叠作用则加强了气凝胶的框架。在DA和PANI的共同作用下，得到的复合气凝胶（GDPA）具有优异的强度、韧性和可压缩性。此外，GDPA被组装成压力传感器，表现出优异的压缩循环稳定性。该传感器实现了0 Pa的低检测限和0至25.48 kPa的宽检测范围，超过了之前报道的大多数石墨烯基气凝胶的性能。GDPA的卓越性能表明其在医疗检测、可穿戴电子设备和智能包装领域具有巨大的应用潜力。

图文导读

图1.制造GDPA气凝胶的示意图。

图2.（a） 未经退火处理的GA-w、GDA-w、GPA-w和GDPA-2-w气凝胶的SEM图像。（b） 说明气凝胶结构的示意图。（c） 退火处理后的GA、GDA、GPA和GDPA气凝胶。

图3.（a） GA、GDA、GPA 和 GDPA 气凝胶的应力-应变曲线。（b） GDAP-1、GDPA-2、GDPA-3 和 GDPA-4 气凝胶的应力-应变曲线。（c） 报告的最大应力和应变气凝胶与GDPA-2气凝胶的比较。（d） GDPA-2气凝胶应力-应变循环试验：150次循环，2秒/次。

图4. (a) GO、GA、GDA、GPA 和 GDPA-2 的 XRD 图。(b) GO、GA和GDPA的拉曼光谱。(c) GDPA-2和GDPA-2-w的XPS光谱。(d ∼ f) GDPA-2的C1s、O1s和N1s的高分辨率XPS光谱。

图5、(a) 气凝胶样品的密度和电导率。(b) 报告的气凝胶与GDPA-2的电导率和密度比较。(c) 压力传感器在电路中的配置示意图。(d) 压力传感器的压缩应变电阻曲线。(e) 电路中的电流变化与施加在压力传感器上的不同应变的函数关系。(f) 电流随压力增加而变化，显示两个周期。(g) 通过压力传感器控制回路中的电流。

图 6. (a) 电容式压力传感器示意图。(b) GDPA-2 压力传感器的应力-电容曲线。(c) 手指弯曲时传感器电容的变化。(d) 手指弯曲时的电容变化率。(e) 弯曲肘部时的电容变化。(f) 拿起和放下玻璃杯时的电容变化。(g) 依次拿起笔和瓶子时的电容变化。(h) 不同音量讲话时的电容变化。(i) 脉搏跳动时的电容变化。

小结

总之，本研究考察了一种N掺杂石墨烯气凝胶（GDPA）的性能，该气凝胶具有高强度、高韧性和高灵敏度。该制备方法涉及DA和PANI的调控，有效地重塑了气凝胶的框架结构，从而提高了力学性能。与水热法相比，该制备方法具有常压下快速成胶、可扩展性强、成本低等优点。在GDPA中加入氮气可明显改善其压力响应，电阻、电流和电容的变化证明了这一点。这些性能与GDPA的微观结构相一致，证实了通过在复合气凝胶中使用DA和PANI实现了成功有效的调节。值得注意的是，基于GDPA的压力传感器具有较低的检测限（0 Pa）和较宽的检测范围（0-25.48 kPa），超过了之前报道的大多数石墨烯基气凝胶。基于GDPA的压力传感器在检测各种人体运动方面表现出色，包括语言、脉搏、手指弯曲和肘部摆动。这些传感器提供了稳定的电信号和实时反馈，展示了其在该领域的多种应用潜力。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144790