成果简介
将二维（2D）纳米材料组装到三维（3D）气凝胶中可有效防止重新堆叠问题。本文，北京化工大学赵彪 见习教授、潘凯 研究员团队在《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》 期刊发表名为“Nanofiber-Reinforced MXene/rGO Composite Aerogel for a High-Performance Piezoresistive Sensor and an All-Solid-State Supercapacitor Electrode Material”的论文，研究利用吡咯水热还原 GO 并与 MXene 原位复合，制备了纳米纤维增强 MXene/还原氧化石墨烯（rGO）导电气凝胶。
以低含量的二维导电纳米片（MXene 和 rGO）为 “砖”，以导电聚吡咯为 “砂浆”，以一维（1D）纳米纤维为 “钢筋”，通过共价键和非共价键实现了 MXene 和 rGO纳米片的强界面交联，从而协同提高了其机械性能。基于制备的 MXene/rGO气凝胶，获得了一种高性能压阻传感器，在15.6kPa 的宽压力范围内灵敏度高达20.80kPa-1，可承受5000次以上的循环压缩。此外，该传感器输出稳定，可用于监测各种人体运动信号。此外，还制作了一种全固态超级电容器电极，在电流密度为1mA/cm2时，其特定区域电容高达 274 mF/cm2。
图文导读
图1：（a）MXene/rGO 气凝胶的制备过程示意图；（b）GO与吡咯之间的反应机理；（c）MXene/rGO 气凝胶的内部相互作用。
图2：（a）不同材料和气凝胶的傅立叶变换红外光谱、（b）XRD 曲线、（c）TG 曲线、（d）拉曼光谱、（e）XPS 光谱、（f）C1s 光谱和（g）Ti2p 光谱。
图4：(a) 不同气凝胶的压缩应力-应变曲线和(b) 强度和密度分布。(c) MXene/rGO-0:2、(d) MXene/rGO-1:2 和 (e) MXene/rGO-2:2 气凝胶的压缩应力-应变曲线。(f) MXene/rGO-2:2 气凝胶的循环压缩测试。(g) MXene/rGO 气凝胶机械性能增强机制示意图，以及 (h) MXene/rGO 气凝胶孔隙结构变化的有限元分析（h1 代表无压力时的孔隙结构，h2 至 h4 代表压力持续增加时孔隙结构的应力分布）。
图5. (a) 不同 MXene/rGO 气凝胶的 I-V 曲线；(b) MXene/rGO-1：2 气凝胶组装传感器的 I-T 曲线，（c）不同 MXene/rGO 气凝胶组装传感器的灵敏度，（d）传感器的压阻传感机制，（e）MXene/rGO 气凝胶组装传感器的响应和恢复时间，MXene/rGO 气凝胶组装传感器在不同（f）应变下的 I-T 曲线，（g）压缩频率，（h）MXene/rGO 气凝胶组装传感器经受超过 5000 次循环的压缩测试。
图6：（a）手腕脉搏信号；（b）”SENSOR “声音信号；（c）食指弯曲信号；（d）手腕弯曲信号；（e）压力信号在传感器阵列上的二维映射。
图7. (a) 不同 MXene/rGO 气凝胶的 CV 曲线；(b) 不同扫描速率下 MXene/rGO-2:2 气凝胶的 CV 曲线；(c) 不同 MXene/rGO 气凝胶的 GCD 曲线；(d) 不同电流密度下 MXene/rGO-2:2 气凝胶的 GCD 曲线；(e) 不同 MXene/rGO 气凝胶的 EIS 曲线；(f) MXene/rGO-2：2 电极在 100 次 GCD 测试中的循环稳定性，（g）超级电容器的 EIS 曲线，（h）超级电容器在不同扫描速率下的 CV 曲线，以及（i）超级电容器在不同电流密度下的 GCD 曲线。
小结
总之，通过使用吡咯水热还原 GO 并与 MXene 原位复合，制备出了一种新型纳米纤维增强 MXene/rGO 导电气凝胶。以低含量的二维导电纳米片（MXene 和 rGO）为 “砖”，导电聚合物 PPy 为 “砂浆”，一维纳米纤维为 “钢筋”，rGO 和 MXene 纳米片在共价键和非共价键的作用下实现了强界面交联。这有效克服了二维纳米片在压缩变形过程中容易断裂和滑移的缺陷。MXene/rGO-0:2 气凝胶的压缩强度高达 9.9 kPa，并且可以通过增加 MXene 的含量进一步提高气凝胶的机械性能。用 MXene/rGO-1:2气凝胶组装的压阻传感器在 15.6 kPa 的宽压力范围内灵敏度高达20.80 kPa-1，可承受5000次以上的循环压缩。该传感器输出稳定，可用于监测各种人体运动信号。此外，基于MXene/rGO-2:2气凝胶的全固态超级电容器电极还能充分利用rGO 的双层电容以及 MXene 和 PPy的赝电容，在储能领域具有巨大的应用潜力。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.3c19462
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