王雙飛院士團隊 Adv. Funct. Mater.：可控各向異性結構的摩擦電氣凝膠
原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/gGn2Bnh0AOWo4ijrah15bA
英文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202310280
隨著航空航天、國防工業、能源開發等關鍵行業的不斷發展，亟需開發能夠在極端環境下穩定工作的傳感器。然而，高溫環境通常會導致傳感材料的性能下降并誘發災難性事故。芳綸特種紙纖維具有極高熱穩定性和優異的絕緣性，被認為是柔性可穿戴傳感材料的有效選項。基于芳綸纖維構筑具有定制結構的摩擦電材料為實現高溫環境下的穩定傳感提供了思路。
近日，王雙飛院士團隊通過原位耦合磁對準和質子化還原的策略構筑了一種可控各向異性結構的芳綸摩擦電氣凝膠。該氣凝膠取向結構的擬合度最高達到98%，合理的取向結構使氣凝膠在300°C時表面電荷密度達到75 μC m-2。芳綸纖維的高溫熱穩定性與自供電傳感的結合為設計耐高溫的多功能可穿戴傳感器提供了參考。這項成果以題為《Tunable Anisotropic Structural Aramid Triboelectric Aerogels Enabled by Magnetic Manipulation》發表在《Advanced Functional Materials》上。
1.可控各向異性結構的摩擦電氣凝膠設計策略
復合材料的性能和功能很大程度上取決于其材料組成和微觀結構。受此啟發，我們通過原位耦合磁對準和質子化還原過程構筑了可控各向異性的摩擦電氣凝膠。該氣凝膠的構建主要包含前驅體合成、磁對準CNT@Ni（磁性碳納米管）以及芳綸納米纖維（ANF）的質子化還原等三個過程。首先，去質子化的芳綸納米纖維分散液與合成的CNT@Ni組成復合前驅體。其次，在磁對準過程中復合前驅體中的CNT@Ni受磁扭矩的作用克服分散液的阻力開始轉向，直至CNT@Ni的軸向與磁場平行時停止。最后，芳綸納米纖維發生質子化還原并重新生成新的氫鍵，最終形成互連的纖維網絡結構以鎖定CNT@Ni的取向。
2. ANF/CNT@Ni的取向控制
分析了CNT@Ni在磁場下的受力和磁對準行為。對CNT@Ni的磁性能進行表征和分析，有利于精準調控ANF/CNT@Ni氣凝膠的取向結構。控制兩塊相對的永磁體與ANF/CNT@Ni分散液的夾角設置了不同角度的勻強磁場（20 mT）。當ANF/CNT@Ni分散液置于勻強磁場H中時，在外磁場的誘導下CNT@Ni內部磁疇將有序排列產生磁矩。在磁矩的作用下，CNT@Ni開始發生偏轉直至與磁場方向平行以保持最低的磁勢能。
通過CNT@Ni對光反射產生的亮暗模式來識別CNT@Ni的取向狀態。同時利用顯微鏡觀察了在外加磁場作用下CNT@Ni的磁對準行為。上述結果共同證明磁誘導對準策略能夠對CNT@Ni的三維取向進行精準調控。
3.取向氣凝膠的高熱電荷穩定性
展示了各向異性結構對氣凝膠熱電荷穩定性的影響。我們通過摩擦納米發電機（TENG）研究了高溫下材料表面靜電勢的動態變化。各向異性的CNT@Ni 的氣凝膠表現出更優異的摩擦電性能，這是由于平行取向的CNT@Ni增加了電荷的存儲位點。此外，所設計的各向異性結構不僅有利于電荷的深入，還可充當電子屏障有效地抑制高溫對電荷儲存的有害影響。
4.摩擦電氣凝膠高溫傳感及應用
具有各向異性結構的氣凝膠顯示出卓越的線性靈敏度和傳感信號的實時響應性，被認為是高溫下可穿戴自供電觸覺傳感的理想候選材料。將激光切割的各向異性氣凝膠材料與電極等元件組裝成可穿戴溫度觸覺傳感器。將該傳感器安裝到隔熱的防護用具表面使其同時實現了防護和傳感功能。
該研究提出了一種通過磁對準策略制備具有可控各向異性結構的芳綸摩擦電氣凝膠。本研究分析了CNT@Ni在均勻磁場中的對準行為，以實現對氣凝膠各向異性結構的精確控制。設計的取向使氣凝膠表現出出色的電荷存儲能力和高熱電荷穩定性。摩擦電氣凝膠突破了溫度限制，在300°C下實現了自供電的觸覺傳感。