[发明专利]一种具有超高线性灵敏度的碳气凝胶及其制备与在传感器中的应用

说明书

本发明属于柔性碳材料的技术领域，公开了一种具有超高线性灵敏度的碳气凝胶及其制备与在传感器中的应用。方法：(1)在水中，将MXene材料进行超声剥离分散，获得MXene悬浮液；(2)将纳米微晶纤维素加入到悬浮液中，超声处理，液氮冷冻，冷冻干燥，得到复合气凝胶；将复合气凝胶在惰性气氛中碳化，得到弹性碳气凝胶。本发明结合MXene和纳米微晶纤维素的优势，利用纳米微晶纤维素对MXene的分散、支撑和连接作用，结合MXene片层对气凝胶的强化作用，通过冷冻、冷冻干燥和碳化制备了高压缩、高回弹、循环使用性能优异且具有超高线性灵敏度等特性的碳气凝胶。本发明的碳气凝胶应用于传感电子器件。

技术领域

本发明属于柔性碳材料的技术领域，具体涉及一种具有超高线性灵敏度的碳气凝胶及其制备方法与在传感器中的应用。

背景技术

柔性碳材料在传感器件中的重要作用取决于其压缩性能、弹性、抗疲劳性以及灵敏度。二维纳米材料的平面结构使其在超薄电极、柔性材料和轻质基体材料的设计具有独特的优势。MXene作为二维纳米碳材料中的新型材料，具有高电导率和一定的柔性，能在超薄的情况下实现大的尺寸。因此，在制备具有优异传感性能的柔性材料方面有着巨大前景。传统的碳基柔性材料多使用石墨烯和碳纳米管作为基底，如石墨烯/碳纳米管复合材料(19.8kPa^-1)(Jian M,Xia K,Wang Q,et al.Flexible and Highly Sensitive PressureSensors Based on Bionic Hierarchical Structures.Advanced FunctionalMaterials,2017,27(9):1606066.)、石墨烯纸(17.2kPa^-1)(Tao L Q,Zhang K N,Tian H,etal.Graphene-Paper Pressure Sensor for Detecting Human Motions.Acs Nano,2017,11(9):8790.)、石墨烯/聚二甲基硅氧烷(1.80kPa^-1)(Bae G Y,Pak S W,Kim D,etal.Linearly and Highly Pressure-Sensitive Electronic Skin Based on aBioinspired Hierarchical Structural Array.Advanced Materials,2016,28(26):5300-5306.)等。但是由于石墨烯和碳纳米管在制备过程中容易形成缺陷，材料对高品质的石墨烯或碳纳米管具有强依耐性，且上述方法中制得的压力传感器多使用柔性基底，可识别应力较大，难以实现微小应力下的灵敏传感。

因此，制备超高灵敏度的碳气凝胶的关键是利用柔性碳材料基底结合合理结构实现应力的高灵敏传感。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种具有超高线性灵敏度碳气凝胶的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到具有超高线性灵敏度的碳气凝胶。

本发明的再一目的在于提供上述超高线性灵敏度的碳气凝胶在传感器中的应用，特别是压力传感电子器件中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种具有超高线性灵敏度的碳气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)在水中，将MXene材料进行超声剥离分散，获得MXene悬浮液；

(2)将纳米微晶纤维素加入到步骤(1)所得MXene悬浮液中，超声处理，获得MXene/纳米微晶纤维素悬浮液；

(3)将步骤(2)所得MXene/纳米微晶纤维素悬浮液进行液氮冷冻，然后冷冻干燥，得到MXene/纳米微晶纤维素复合气凝胶；

(4)将步骤(3)得到的复合气凝胶在惰性气氛中升温至500～1200℃并保温0～12h，得到弹性碳气凝胶。