中科院兰州化物所：超弹性石墨烯气凝胶在压阻传感中的应用

成果简介

微观结构是决定气凝胶材料宏观特性的关键因素，并对其在各种应用场景中的性能产生重要影响。本文，中国科学院兰州化学物理研究所 杨生荣教授团队在《ACS Appl. Electron. Mater》期刊发表名为“Superelastic Graphene Aerogels Constructed by Structural Modulation for Piezoresistive Sensing”的论文，研究从气泡模板的微观结构调控中汲取灵感，在石墨烯气凝胶（GA）的制备过程中使用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对氧化石墨烯纳米片进行微观调控。同时，十二烷基硫酸钠（SDS）发泡被用作气泡模板，以帮助构建具有分层多孔结构的 PVP/SDS-GA (PSGA)。

这种创新的结构蓝图从本质上促进了应力的更均匀分布，从而增强了气凝胶的抗压强度。PSGA 的先进结构可通过环境压力和高温方法实现快速干燥，从而简化了制造过程。PSGA 具有几个显著特点：2.84 毫克/立方厘米的超低密度、10 S/m 的高导电率、99% 的极限应变超弹性、70% 应变下可承受 10,000 次循环的出色抗疲劳性以及 0.66 兆帕的高抗压强度。鉴于这些特性，使用 PSGA 作为基础构思的压阻传感器表现出卓越的信号识别能力。

图文导读

图1.（a） PSGA的制备示意图。（b） GO和PVP的交联方案。

图2.（a） GO纳米片的TEM图像。（b） GO、PVP 和 PSGA-2 的 XRD 衍射图。（c） GO、PVP 和 PVP/GO 的 FTIR 光谱。（D-F）不同放大倍率下PSGA-2的SEM图像。

图3.（a） PSGA样品的密度和电导率。（b） 不同PVP含量的PSGA的I-V曲线。（c） PSGA-2在10-99%应变下的压缩曲线。（d） PSGA-2在不同速率下的压缩曲线;PSGA-2 在 （e） 70% 应变下循环 10,000 次和 （f） 90% 应变下循环 1000 次后的疲劳压缩试验和能量损失系数。

图4.PSGA-2压阻式传感器的传感性能

图5.一种压阻式传感器，可检测 （a） 轻呼吸、（b） 深呼吸、（c） 脉搏跳动、（d） 吞咽、（e） 轻微手指弯曲和 （f） 跑步等各种信号。

小结

我们利用PVP和SDS的表面活性剂对GA的内部结构进行深度调控，成功地制备了PSGA。主要的挑战在于通过微调GO与表面活性剂之间的相互作用，实现PSGA梯度多孔结构的平滑实现。这种结构设计有助于应力更均匀的分散，从而增强材料的抗压强度。由于结构优化，PSGA可以通过常压和高温方法快速干燥，从而简化了整个制备过程。重要的是，PSGA表现出超低密度（2.84 mg/cm3）、良好的导电性 （10 S/m）、极高的弹性（99% 的应变可恢复性）、高抗疲劳性（在 70% 应变下可承受 10,000 次压缩循环）和抗压强度 （0.66 MPa），以及其他有前途的性能特征。基于这些特性，采用PSGA制备的压阻式传感器表现出优异的信号识别能力，有望在电子皮肤领域发挥更大的价值。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsaelm.3c01637