苏州纳米所张学同《AFM》:新型MXene气凝胶纤维,具有超高电导率和电热/光热响应性!
       气凝胶纤维由于结合了气凝胶的轻质、多介孔特性与纤维的柔韧、细长特性,而在智能织物、柔性电子设备和光学器件等领域受到越来越多的关注。然而,目前的气凝胶纤维的合成方法和性能还面临着一些挑战。例如,开发的石墨烯气凝胶纤维的电导率仍不足以满足一些实际应用,如电加热和电磁屏蔽等。因此,制备具有性能增强的气凝胶纤维或制造具有新型纳米结构单元的新型气凝胶纤维仍然是一项紧迫而关键的任务。
      中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员等人通过简单的动态溶胶-凝胶纺丝和超临界CO2干燥技术制备了一种Ti3C2Tx MXene气凝胶纤维。该气凝胶纤维具有可调节的孔隙率(96.5–99.3%)、高比表面积(142  m2 g-1)和低密度(0.035 g cm-3)等特点。得益于MXene纳米片的导电性以及由动态溶胶-凝胶湿法纺丝实现的高取向结构,所得气凝胶纤维展现出高达104 S m-1的超高导电率,远远超过其他已知的气凝胶材料。此外,该气凝胶纤维还具有优异的电热/光热双响应性,在柔性可穿戴设备、智能织物和便携式设备应用中展现出巨大的潜力。该研究以题为“Electrically Conductive, Optically Responsive, and Highly OrientatedTi3C2Tx MXene Aerogel Fibers”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【气凝胶纤维的制备策略】
       作者通过Ti3C2Tx MXene纳米片的简单动态溶胶-凝胶纺丝和超临界CO2干燥制备出具有高导电性的MXene气凝胶纤维,该制备策略具有连续、易操作和可批量生产的优点。基于MXene纳米片的可纺性和Ca2+的交联能力,所得气凝胶纤维具有柔韧性、低密度、高孔隙率和大比表面积的优异特性(图1)。通过自然干燥获得的MXene纤维,其密度通常为3.0-4.0 g cm-3,且孔隙率低于20%。在此,超临界干燥过程既不会导致由毛细管力引起的结构坍塌,也不会破坏由溶剂晶体生长引起的气凝胶网络结构。因此,该气凝胶纤维的密度可低至0.035 g cm-3,孔隙率高达96.5-99.3%,体现了超临界CO2干燥的优势。
图1. 气凝胶纤维的制备示意图
图2. 气凝胶纤维的表征和性能
【高导电性及电热响应】
     作者改变纺丝浓度来调节MXene纳米片的取向,使得电导率提升了一个数量级至104 S m-1(图3a),优于其他气凝胶材料(图3b)。优异的导电性可归因于:(1)MXene纳米片固有的类金属导电性;(2)微米级的MXene纳米片;(3)动态溶胶-凝胶纺丝诱导MXene纳米片的高取向。基于优异的导电性,该气凝胶纤维表现出显著的焦耳热效应。随着输入电压的增加,气凝胶纤维的温度逐渐升高(图3d),仅需0.5 V的输入电压就能使表面产生热效应。当输入电压达到4.5 V 时,气凝胶纤维的表面温度已超过178℃,而输入功率密度仅仅1.63 W cm-2。与商业碳纤维相比,该气凝胶纤维在相同的输入电压下展现出更低的响应电压、更高的响应速度和更高的温度(图3e-g),具有优异的电热响应能力。
图3. 气凝胶纤维的导电性能和电热响应
【光热响应性能】
      该气凝胶纤维还具有高光吸收能力,在近红外区域接近100%(图4a)。正如预期的那样,其还表现出出色的光热响应能力。在一次阳光照射下,单根纤维的温度可以升至40℃,并持续5分钟。此外,作者还研究了其在低温环境下的光响应性。在液氮顶部的气凝胶纤维在一次阳光照射2 min的条件下,其温度仍可以升至40℃,这说明该气凝胶纤维还具备光热转换功能和极低温度下的保暖效果(图4c)。为了进一步评估其光热响应稳定性,作者记录了一束纤维的循环温度变化。结果表明,该气凝胶纤维的光热响应性能在循环过程中没有表现出任何明显的退化,突出了其作为基于气凝胶纤维光热响应加热器的潜力(图4d)。
图4. 气凝胶纤维的光热响应性能
       总结:作者通过简单的动态溶胶-凝胶纺丝策略和超临界CO2干燥技术,成功制备了具有3D取向多孔结构和优异电/光响应性的柔性高导电MXene气凝胶纤维。由于Ca2+交联和无损干燥过程,气凝胶纤维表现出高比表面积、大孔隙率和纤维柔韧性。该气凝胶纤维的电导率可以达到104 S m-1,远大于已报道的其他气凝胶。此外,该气凝胶纤维具有优异的焦耳热效应和光热转换能力,这使其在柔性可穿戴设备、智能驱动、智能织物和便携式功能设备中的具有无限潜力。