迪肯大学《ACS Nano》1000次压缩/释放循环，保留97.2％电容MXene气凝胶

【科研摘要】

具有出色导电性，可逆压缩性和高耐用性的超弹性气凝胶在从可穿戴电子设备到多功能支架等各种新兴应用中都具有巨大潜力。最近，澳大利亚迪肯大学Joselito M. Razal教授团队在《ACS Nano》发表了题为Superelastic Ti3C2Tx MXene-Based Hybrid Aerogels for Compression-Resilient
Devices一文。作者通过混合MXene和GO薄片，然后进行GO的多步还原，冷冻浇铸以及最后的退火工艺，制造出超弹性MXene/还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶。

通过优化成分和还原条件，所得气凝胶显示出95％的可逆压缩应变，超过了所有当前报告的值。导电MXene/rGO网络可在压缩/释放循环下提供快速的电子转移和稳定的结构完整性。当组装成可压缩的超级电容器时，经过1000次压缩/释放循环后，仍保留了97.2％的电容。此外，高电导率和多孔结构还使得能够制造出具有高灵敏度（0.28 kPa-1），宽广的检测范围（高达66.98
kPa）和超低检测极限（〜60 Pa）的压阻传感器。可以设想，MXene/rGO气凝胶的超弹性为在各种应用中使用基于MXene的材料提供了一个多功能平台，这些应用包括可穿戴电子设备，电磁干扰屏蔽和柔性能量存储设备。

【图文解析】

MXene/rGO气凝胶的制备与表征

MXene/rGO气凝胶是按照图1所示的多步还原和定向冷冻干燥方法制备的。MXene和GO水性分散体分别使用先前报道的“ MILD”方法和改良的Hummer方法合成。

图1.（a）MGA-50的制造过程示意图和数字照片。MGA-50在（b）低和（c）高放大倍数下的俯视SEM图像，显示MXene包裹在rGO板中。（d）MGA-50的侧视图SEM图像。（e）MGA-50的TEM和（f）高分辨率TEM图像。（g）MGA-50的SEM和相应的EDX元素映射图像。

混合气凝胶的结构力学性能

为了评估上述气凝胶的结构-机械性能，我们对所有混合气凝胶进行了压缩应力-应变测试，并将其与对照样品进行了比较。图2a总结了每种混合气凝胶的代表性压缩应力-应变曲线，显示了观察到的弹性泡沫的典型行为。

图2.（a）MGA-50在不同压缩应变下的应力-应变曲线。（b）以不同的MXene含量（75、67、50、33和25
wt％）制造的气凝胶的最大弹性应变。（c）在0％，50％，80％和90％的污点处压缩的MGA-50的SEM图像。（d）在不同的退火温度（室温，200、300和500°C）下处理过的MGA-50的最大弹性应变。在不同的退火温度下处理的MGA-50的XRD图谱，（e）MXene和（f）rGO的（002）衍射峰。（g）加载和卸载过程的100个循环的应力-应变曲线，以及（h）MGA-50的低应力区域的放大图像。（i）MGA-50的最大弹性应变与先前报道的基于MXene或石墨烯的气凝胶的比较。

储能特性

由于混合气凝胶包含大量的开孔和用于电解质填充和运输的层间通道，因此我们研究了它们的电化学性能，以评估其作为储能应用中可压缩电极的潜力。首先使用定制的三电极设置在含水酸性电解质（1 M H2SO4）中通过循环伏安法（CV）对气凝胶进行了表征。在不同扫描速率下获得的CV曲线显示出伪电容行为，具有明显的可逆阳极和阴极峰（图3b）。在20 A
g–1的高电流密度下，电容保持率为80.6％，库仑效率为98.4％。证明了其出色的速率能力（图3e）。

图3.（a）用于MGA电极的电化学性能测试的三电极设置的示意图。（b）CV，（c）阳极峰值电流（ip）与扫描速率（v）的对数关系，以及（d）MGA-50电极在其原始状态下的恒电流充放电（GCD）曲线。（e）MGA-50电极的重量电容和相应的库仑效率与电流密度的关系。（f）在第二还原步骤中，MGA-50电极的重量电容在90°C下经过10、30、60和120分钟降低了10分钟。（g）以不同的MXene含量（100、75、67、50、25和0wt％）制造的MGA电极的重量电容。（h）混合气凝胶电极的EIS数据；插图显示了高频区域。（i）在变化的压缩应变下，MGA-50电极的体积电容变化。

超弹性MGA-50在可压缩超级电容器中的应用

如图所示，MGA-50在不同的压缩/松弛状态下同时并可靠地保留了弹性和能量存储能力，并且我们在制造各种设备时采用了气凝胶，以证明其在需要抗压缩设备的应用中的潜力。首先，用MGA-50电极制成可压缩的超级电容器，因为这种气凝胶组合物在机械性能和电容之间表现出最佳的权衡。按照图4a所示的器件设计和配置制造对称的全固态可压缩超级电容器（CSC），并通过CV和GCD测量研究电化学性能。

图4.（a）使用MGA-50作为电极的已组装CSC的数码照片。（b）CV曲线，（c）GCD曲线，（d）CSC的比电容和库仑效率，以及（e）CSC的电容保持率；（e）中的插图显示了在第一个和第10000个循环中测试的CV曲线。（f）在压缩-释放周期内，应变率为0％至80％时测得的动态CV曲线。（g）在20 mV
s-1的扫描速率下，CSC在0％，20％，40％，60％和80％的各种应变下的电容保持率。（h）以20 mV s-1的扫描速率在60％的应变下经过1000次压缩循环后，CSC的电容保持率。（i）CSC的Ragone图以及各种电流密度下的功率和能量密度。

超弹性MGA-50在压阻传感器中的应用

由于出色的可压缩性和压力下的电导率响应，对MGA-50电极的机电行为进行了表征，以评估其作为压阻传感器的潜力。使用图5a中所示的设置，测量电极从初始状态（I0）到最终状态（I）的电流（ΔI）的变化，因为电极受到压力（P）和恒定电压（0.2 V）的压缩。气凝胶的顶部和底部。根据图5b中压力-电流曲线的线性部分计算得出，MGA-50气凝胶的灵敏度为0.28
kPa-1。此外，还发现ΔI/I0与90％的压缩应变成比例地增加，并且在松弛后该值恢复为0（图5c），这表明基于MGA-50的传感器在承受较大的变形应变时应该很有前途。

图5.（a）用于MGA-50传感器动态测量的压力传感装置示意图。（b）MGA-50的电流变化与施加压力的关系，插图显示了低压下的曲线。（c）从10％到90％的不同压缩应变下的电流变化响应。MGA-50传感器在微小应变下的实时电流响应（d）由水滴引起，（e）由动脉脉搏波引起，以及（f）佩戴者说“一个”，“两个”和“三”。

【总结】

研究人员通过多步还原，冷冻浇铸和退火工艺来制造超弹性MXene/rGO气凝胶（MGA-50）。所得的MGA-50表现出可调性，其中最具弹性的气凝胶显示出95％的弹性应变。这是在高MXene负载（50 wt％）下实现的，当它用作超级电容器的电极时，在0.5 A g–1的扫描速率下还显示出397 F
g–1的高重量电容。由于其优异的导电性和超弹性，基于MGA-50电极的CSC在60％的高压缩应变下，在不同的压缩状态下或经过1000次压缩/释放循环后均表现出稳定的性能，从而具有很高的可靠性和安全性。此外，MGA-50还具有低密度和高电导率的优点，并且仍保持稳健的机械性能，这有利于用作高灵敏度压阻传感器，从而证明了其在鉴别信号（例如人脉和心跳）中的潜在应用。语音识别。这项工作使生产具有高能量存储性能的基于MXene的超弹性电极成为可能，从而为开发可穿戴和便携式设备提供了许多机会。此外，混合气凝胶的低密度和巨大的空洞也可以用作装载其他功能材料的基质，从而导致在一系列技术领域中使用了其他基于MXene的复合材料。

TOC图.

参考文献：

doi.org/10.1021/acsnano.0c09959

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