生物质基碳气凝胶碳化后的机械性能较差，严重限制了其在可穿戴设备和电子皮肤的压力传感和能量存储方面的应用。
本文，大连工业大
学
Xu
Fei、
Yao
Li等研究人员在
《
Journal of Colloid and Interface Science
》期刊
发表名为“
Biomimetic biomass-based composite carbon aerogels with excellent mechanical performance for energy storage and pressure sens
ing in extreme environments
”的论文，
研究
受天然木材独特微观结构的启发，设计了一种超分子组装结构，用于制备具有超压缩性、弹性、稳定的应变电信号响应和宽灵敏度检测的生物质基碳气凝胶。
选择细菌纤维素和木质素作为生物质复合气凝胶 “细胞壁 ”的主要成分。引入具有芳香结构的氧化石墨烯，诱导木质素和细菌纤维素牢固附着。所制备的生物质基碳气凝胶具有超压缩性（在应变为90%的条件下至少循环100次）、高弹性（在应变为50%的条件下循环 1000次后高度保持率为88.88%）、惊人的温度恒定超弹性以及在-196 ℃ 下的抗疲劳性（形状保持率大于85 %）。特别是，它在极宽的工作压力范围（0-43 kPa）内表现出与温度无关的高线性灵敏度，可准确探测人体信号。此外，制备的碳气凝胶在超级电容器中也表现出卓越的性能。在电流密度为 1 A/g 时，它的比电容为 158F/g；在 2500 W/g 的高功率密度下，它的能量密度为 18.75 Wh/kg。这一策略也证明了它在恶劣环境中作为可穿戴设备的前景。
图1.生物质复合气凝胶的制备示意图。
图2.（a） BA1、（b） BA2、（c） BA3 和 （d） BA4 碳化前后的体积收缩图;（e） BA1、（f） BA2、（g） BA3 和 （h） BA4 前驱体的 SEM 图像;（i） BA1、（j） BA2、（k） BA3 和 （l） BA4 的 SEM 图像;（m） BA1、（n） BA2、（o） BA3 和 （p） BA4 前驱体的层状表面的 SEM 图像;（q） BA1、（r） BA2、（s） BA3 和 （t） BA4 前驱体的层状表面上 C 和 O 的频谱图。
图3、生物质基复合气凝胶的微观结构直接影响其密度。
图4.（a） BA1、（b） BA2 的 500 次循环的应力-应变曲线;（c） BA1 和 BA2 的压缩图示;（d） BA3、（e） BA4 的 500 次循环的应力-应变曲线。
图5. Supercompressibility and elasticity of BA2 (a) Stress–strain curve at 50 % strain for 1000 cycles; (b) Stress–strain curve at 90 % strain for 100 cycles; (c) Image of compressive properties of BA1 and BA2 immersed in liquid N2 ; (d) Cycling at 50 % compressive strain for 100 cycles at −196°C; (e) Stress retention at 50 % compressive strain for 100 cycles at −196°C.
图6. (a) 不同应变下的电流响应；(b) 工作压力范围为 0-43 kPa 时的线性灵敏度；(c) -196 ℃ 时压力范围为 0-43 kPa 时的线性灵敏度；(d) 腕关节屈曲；(e) 肘关节屈曲；(f) 手指屈曲；(g) 喉部振动的检测图片。
图7. 使用 1 M Na2 SO4 作为电解质的 BA2//BA2 的电化学性能.
本研究受自然界木材细胞壁结构的启发，设计了一种特殊的超分子组装结构，成功制备出具有规则类木质结构和高弹性的生物质基复合气凝胶。生物质基复合气凝胶可在 90% 的严重应变下使用，在 50% 的压缩应变下循环使用 500 次后，气凝胶的保持率高达 93%，表现出卓越的抗疲劳性和稳定的应变电流响应。基于生物质基复合气凝胶的压力传感器不仅在极宽的工作压力范围（0-43 kPa）内表现出高灵敏度，而且在-196 °C的严酷温度条件下也表现出色。此外，得益于低扭曲通道和高孔隙率的结构特征，生物质基复合气凝胶在储能装置中具有优异的电化学性能。这种具有超分子组装结构的生物质基碳气凝胶作为新一代传感挠性材料在极端温度环境下具有广阔的应用前景。
文献:
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.12.051
