柔性儲能裝置和傳感器在可穿戴電子領域的應用引起越來越多的興趣。輕質彈性炭材料具有熱學和化學穩定性、低密度、高導電性等優點，是開發高性能柔性可穿戴儲能器件和傳感器件的重要候選材料之一。近年來，研究者以石墨烯、氧化石墨烯（GO）、碳納米管（CNT）及其復合材料等碳納米材料合成了一系列低密度、高孔隙率的彈性碳氣凝膠。這些碳氣凝膠具有良好的機械穩定性、彈性和高導電性，顯示出它們在可穿戴傳感器、電子皮膚和柔性儲能裝置中的重要應用。雖然碳納米單元可以制備出具有良好力學性能的碳氣凝膠，但其碳前驅體是不可再生的，并且CNT、石墨烯及其氣凝膠的合成過程昂貴復雜。
生物質具有自然資源豐富、可再生、環境友好和低成本等優點，被認為是制備碳氣凝膠的一種可再生、可持續的炭前驅體。迄今為止，幾種生物質炭氣凝膠已成功地從明膠、冬瓜、蛋白質、細菌纖維素和原棉中開發得到。然而，這些炭氣凝膠由于其固有的隨機多孔結構和退火或碳化時嚴重的體積收縮，表現出很差的壓縮性、彈性和抗疲勞性。木材是最豐富的生物質資源之一，具有由CNFs和非晶基質（木質素和半纖維素）組成的分層管胞結構。由于結構致密（大量的附加劑，管胞或CNFs間相互作用多種多樣），天然木材具有剛性，管胞不易壓縮而易坍塌。因此，利用原始木材管胞制備可壓縮的彈性導電炭氣凝膠很具挑戰性。為了解決這個問題， “自上而下”策略通過去除木質素和半纖維素（部分破壞管胞的緊密結構）后炭化，將天然木材直接轉化為可壓縮的彈性碳海綿。但是，自上向下法制備的木炭海綿的結構和力學性能很大程度上取決于木材的種類和結構，從而限制了該方法的應用。另一方面，“自下而上”策略是制造功能材料的另一個有力途徑。與“自上而下”的方法相比，“自下而上”的方法可以方便地裁剪結構和組件，從而建立多孔結構，優化功能材料的性能。因此，“自下而上”策略有望通過結構設計和調節模塊單元的含量，為從木材制備輕質彈性碳材料提供有效途徑。
華南理工大學彭新文教授課題組提出了一種簡便、可持續的“自下而上”的方法，利用纖維素納米纖維（CNFs）和木質素，制備得到了具有有序管胞狀結構、良好的機械壓縮性和彈性的木質來源的輕質碳氣凝膠。為此，作者提出了兩個關鍵的考慮因素：（1）合理設計有序結構，以實現有效的應力傳遞；（2）通過引入木質素（具有較高的熱穩定性和退火時的質量穩定性）來限制CNFs的嚴重卷曲，降低氣凝膠網絡的嚴重體積收縮，以減小結構損傷。有序的管胞狀結構賦予木質炭氣凝膠高壓縮性（高達95%的應變）和彈性及優異的抗疲勞性能。該碳氣凝膠不僅對大范圍的工作壓力具有很高的線性靈敏度（0–16.89 kPa），而且對生物信號的檢測也很準確。此外，它還可以作為全固態對稱超級電容器（SSC）的自支撐電極，具有良好的電化學性能和優異的機械柔性，其能量密度優于許多其他碳源SSC，可與一些導電聚合物或金屬氧化物超級電容器相比。這些特性使得木質碳氣凝膠對壓力傳感器和柔性電極的應用極具吸引力。相關工作以“Wood-Derived Lightweight and Elastic Carbon Aerogel for Pressure Sensing and Energy Storage”為題發表在Advanced Functional Materials上。
圖文解析
圖1：a）木質來源碳氣凝膠C-AL/CNF-5的制作圖解。b）CNF的透射電鏡圖像。c）A-AL/CNF-5和d）C-AL/CNF-5的SEM圖像。
圖2：a）制備的碳氣凝膠的氮吸附-解吸等溫線。b）A-CNF、A-AL、A-AL/CNF和AL+CNF的TG曲線和c）DTG曲線。d）氣凝膠碳化過程中的體積收縮。h）A-AL/CNF-5和C-AL/CNF-5的數碼照片。e-g）C-CNF和i-k）C-AL/CNF-5的SEM圖像。
圖3（a）C-CNF、（b）C-AL/CNF-5、（c）C-AL/CNF-3和（d）C-AL/CNF-7的500次循環應力-應變曲線。C-AL/CNF-5在500次循環之前（e）和之后（f）的SEM圖像。（g，h）C-AL/CNF-3，（i，j）C-AL/CNF-5和（k，l）C-AL/CNF-7的SEM圖像，指示了碳層的厚度。薄壁的C-AL/CNF-5（m）和厚壁的C-AL/CNF-7（n）的有限元模擬。
圖4：C-AL/CNF-5的壓縮性和抗疲勞性。（a）不同應變下的應力-應變曲線。（b）90%應變下100個循環的壓縮性。（c）95%應變下50個循環的壓縮性。（d）在50%應變下30?000次循環的抗疲勞性能。（e）50%應變下30?000次循環的應力保持、高度降低和能量損失系數。（f）應力和高度保持與文獻報道的其他材料的比較。C-AL/CNF-5在5000次壓縮循環前（g）后（h）和30000次壓縮循環前后（i，j）的SEM圖像。圖5：C-AL/CNF-5的傳感試驗。（a）不同應變下的電流響應。（b）不同壓力下的電流響應，電壓范圍為-2至2 V。（c）在50%應變下1000次循環的電流穩定性。（d）50%應變下1000次循環的ΔR/R0值。（e）工作壓力范圍為0-16.89千帕的線性靈敏度。（f）不同彎曲角度下的電流響應。（g）傳感器的響應和恢復時間。檢測（h）手臂脈搏和（i）說出“carbon”和“panda”。（j）通過施加不同壓力控制LED的亮度。圖6：C-AL/CNF-5衍生的全固態SSC的性能。（a）SSC組裝圖。（b）不同掃描速度下的CV曲線。不同（c）質量電流密度和（d）面電流密度下的GCD曲線。（e）不同電流密度下基于GCD曲線的倍率性能。（f）能量和功率密度的比較。（g）電流密度為2.0A g-1下5000次循環的循環穩定性和循環試驗期間的庫侖效率。不同彎折角度下（h）20 mV s-1時的CV曲線和（i）相應電容保持率。（j）單個設備和兩個串聯設備在20 mV s?1時的CV曲線（插圖：由三個串聯設備供電的LED）。
綜上所述，通過合理設計氣凝膠網絡的結構并減少其熱降解，可以成功地利用木質CNF和木質素制備出具有有序管胞結構的彈性炭氣凝膠。柔性的CNF纏結在互聯網絡中，高熱穩定性的AL則減少了三維網絡的熱變形，從而形成了一種高穩定性的結構。炭氣凝膠具有高壓縮性、高彈性和優良的抗疲勞性能。用炭氣凝膠制備的傳感器在較寬的工作范圍內具有很高的線性靈敏度，可以應用于可穿戴的人體生物信號檢測設備中。此外，作為超級電容器的電極，自支撐柔性SSC具有高電容、高能量密度、良好的循環穩定性和優異的機械柔性等優秀的電化學性能。
來源：高分子科學前沿
