近日，廈門大學能源學院劉健教授級高工及曾憲海教授聯合物理科學與技術學院的葉美丹副教授開發了一種新型生物基碳氣凝膠，在較寬的壓力范圍內具有超高的線性靈敏度，有希望成為柔性可穿戴設備監測生物信號的理想傳感材料。該材料以葡萄糖雙氰胺納米片（C-GD）和纖維素納米纖維（CNFs）為原料，采用生物量介導的方法合成了氮摻雜碳氣凝膠（C-NGD）。合成的C-NGD具有相當大的彈性、壓縮性和抗疲勞性能。C-GD與CNFs的相互作用形成了一種超穩定的波層狀結構，它能夠支持95%的極高壓縮應變和長期壓縮（3000個周期，50%應變下），特別是在0～10 kPa范圍內，可獲得寬范圍線性靈敏度，靈敏度高達10.08 kPa-1。這些優點使碳氣凝膠能夠應用于可穿戴壓阻傳感裝置中，以檢測人體運動和生物信號。此外，C-NGD還顯示了超級電容器和摩擦納米發電機方面的應用潛力。因此，該生物基氣凝膠是一種面向柔性電子、能量轉換/存儲裝置的多功能材料。

　　纖維素是地球上豐富和可再生的生物質材料之一，通過可控降解纖維素獲得的纖維素納米纖維（CNFs）由于具有互連的空間網絡和優異的機械強度，顯示出巨大的應用潛力。前期研究發現，葡萄糖和C-GD的煅燒混合物可以很好地分散在CNF溶液中，而通過碳化定向冷凍獲得的氣凝膠，可以制備具備單層結構或者多層狀結構的二維碳材料。在此基礎上，該研究組設計了一條簡便、可持續的制備CNFs/葡萄糖/雙氰胺衍生碳氣凝膠（C-NGD）的工藝路線。CNFs具有良好的柔韌性、高長寬比和比強度，易于與C-GD碳納米片纏繞連接。因此，CNFs可以作為納米粘合劑將C-GD連接成層狀宏觀結構。合成的C-NGD作為一種高靈敏的材料，可以檢測到很低的壓力或變形，在較寬的壓力范圍內具有超高的線性靈敏度。這些優點使得C-NGD成為柔性可穿戴設備監測生物信號的理想傳感材料。此外，C-NGD還可以作為超級電容器和摩擦電納米發電機的活性材料。

　　基于之前研究基礎，通過碳化定向冷凍獲得的氣凝膠，可以制備具備單層結構或者多層狀結構的二維碳材料，這為合成二維碳材料提供了另一種廉價而有效的方法。合成工藝、材料外觀及表征如圖1所示。

　　圖1（a）制備C-NGD的示意圖；（b, c）C-GD納米片的SEM和TEM圖像；（d, e）具有空間互聯網絡的CNFs的SEM和TEM圖像；（f，j）NGD、（g，k）C-NGD、（h，l）CNF和（i，m）C-CNF氣凝膠的SEM圖像和照片。

　　CNFs作為C-GD的分散劑和納米增強介質，顯著提高了碳氣凝膠的力學強度。如圖2所示。

　　圖2 （a） C-NGD在不同應變下的壓縮應力-應變曲線；（b）C-NGD和（c）C-CNF在50%應變下100個循環的壓縮應力-應變曲線；C-NGD在（d）90%和（e）95%高應變下100個循環的壓縮應力-應變曲線；（f）C-NGD在50%應變下3000次循環的壓縮應力-應變曲線。

　　該碳氣凝膠具有連續波狀層狀結構，是實現優秀壓縮彈性性能的保障，其壓縮彈性機理如圖3所示。

　　圖3（a）C-CNF和（b）C-NGD氣凝膠壓縮彈性機理示意圖

　　將該碳氣凝膠作為壓電材料，進行的綜合表征，發現其具有相當大的彈性、壓縮性和抗疲勞性能，如圖4所示。

　　圖4（a）不同壓縮應變下C-NGD的相對阻力變化；（b）在50%壓縮應變下，C-NGD在不同頻率下的相對電阻變化；（c）c-NGD的反應和弛豫時間；（d）C-NGD在50%應變下3000次循環的相對電阻變化；（e）C-NGD 1%壓縮應變范圍內的規范系數；（f）在0-10 kPa壓力范圍內的線性靈敏度；（g）C-NGD與其它傳感材料的靈敏度比較；（h）C-NGD在50%應變下3000次循環的疲勞抗力。

　　考察該碳氣凝膠在可穿戴電子器件領域的實際應用。傳感器可以清楚地捕捉微笑時面部肌肉的輕微運動，實時監測吞咽的振動，檢測到人體脈搏波形，并區分沖擊波（P波）、潮汐波（T波）和舒張波（D波）的特征峰，線性靈敏度高，壓力范圍寬，如圖5所示。其優異的機械穩定性使C-NGD在可穿戴電子器件的實際應用中具有廣闊的應用前景。

　　圖5（a）C-NGD傳感器示意圖；（b）通過按壓的C-NGD傳感器，（c-e）來自手指、手腕和腿的人體關節運動，（f）面部微笑，（g）呼吸，（h）通過吞咽的喉嚨運動，以及（i）由C-NGD傳感器監測的手腕脈搏的相對阻力變化

　　考察該碳氣凝膠在超級電容器領域的應用，發現其具有良好的表現（圖6）。該裝置在0.5 A g-1下的比電容為220.2 F g-1，高于先前關于碳基電極材料的報告。在電流密度為10 A g-1的情況下，C-NGD在2000次循環后可保持97.3%的初始比容量，表明該器件具有高度穩定的電化學性能。

　　圖6（a-b）C-NGD的SEM圖像，無壓（a）/有壓（b）；（c）不同掃描速率下超級電容器的循環伏安曲線；（d）在0.5～10 A g-1的不同電流密度下，超級電容器的恒流充放電曲線（GCD）曲線；（e）電流密度在0.5～10 A g-1之間超級電容器的比電容；（f）超級電容器在電流密度為10 A g-1時的循環性能

　　將該碳氣凝膠應用于摩擦納米發電機裝置，其短路電流（Isc）、開路電壓（Voc）和短路轉移電荷（Qsc）分別達到3μA、38 V和12 nC（圖7），這比以前的許多研究結果都要大。

　　圖7 在1.0 Hz頻率下測試的（a）短路電流（Isc），（b）開路電壓（Voc）和（c）短路轉移電荷（Qsc）曲線。

　　綜上所述，研究組設計和合成了多功能生物質基三維波層狀碳氣凝膠，具有良好的壓縮性、高的抗疲勞性能和穩定的應變-相對阻力變化響應。特別地，可以獲得從0到10 kPa的寬范圍線性靈敏度，具有10.08kPa-1的高靈敏度。這些優點使該材料有希望應用于壓阻式傳感器和可穿戴設備。值得一提的是，因具有大比表面積和良好導電性，顯示出作為超級電容器電極材料和摩擦納米發電機器件摩擦層材料的潛力。因此，該碳氣凝膠是一種可再生的生物質衍生多功能材料。