【研究背景】碳气凝胶具有压缩性、弹性、线性灵敏度高、功能多等特点，已成为人们研究的热点。碳气凝胶由相互连接的三维网络组成，具有密度低、重量轻、孔隙率高、比表面积大、电导率高、环境稳定性好等突出的物理特性，广泛应用于吸附剂、催化剂、人造肌肉、传感器等领域。特别是具有超轻可压缩特性的碳气凝胶，由于其潜在的多功能特性而更具吸引力。近日，厦门大学能源学院刘健教授级高工及曾宪海教授联合物理科学与技术学院的叶美丹副教授开发了一种新型生物基碳气凝胶，在较宽的压力范围内具有超高的线性灵敏度，有希望成为柔性可穿戴设备监测生物信号的理想传感材料。该材料以葡萄糖双氰胺纳米片（C-GD）和纤维素纳米纤维（CNFs）为原料，采用生物量介导的方法合成了氮掺杂碳气凝胶（C-NGD）。合成的C-NGD具有相当大的弹性、压缩性和抗疲劳性能。C-GD与CNFs的相互作用形成了一种超稳定的波层状结构，它能够支持95%的极高压缩应变和长期压缩（3000个周期，50%应变下），特别是在0～10 kPa范围内，可获得宽范围线性灵敏度，灵敏度高达10.08 kPa-1。这些优点使碳气凝胶能够应用于可穿戴压阻传感装置中，以检测人体运动和生物信号。此外，C-NGD还显示了超级电容器和摩擦纳米发电机方面的应用潜力。因此，该生物基气凝胶是一种面向柔性电子、能量转换/存储装置的多功能材料。该文章发表在期刊Nano energy上，龙思诗和冯云超为本文共同第一作者，刘健、叶美丹和曾宪海为共同通讯作者。纤维素是地球上最丰富和可再生的生物质材料之一，通过可控降解纤维素获得的纤维素纳米纤维（CNFs）由于具有互连的空间网络和优异的机械强度，显示出巨大的应用潜力。前期研究发现，葡萄糖和C-GD的煅烧混合物可以很好地分散在CNF溶液中，而通过碳化定向冷冻获得的气凝胶，可以制备具备单层结构或者多层状结构的二维碳材料。在此基础上，该研究组设计了一条简便、可持续的制备CNFs/葡萄糖/双氰胺衍生碳气凝胶（C-NGD）的工艺路线。CNFs具有良好的柔韧性、高长宽比和比强度，易于与C-GD碳纳米片缠绕连接。因此，CNFs可以作为纳米粘合剂将C-GD连接成层状宏观结构。合成的C-NGD作为一种高灵敏的材料，可以检测到很低的压力或变形，在较宽的压力范围内具有超高的线性灵敏度。这些优点使得C-NGD成为柔性可穿戴设备监测生物信号的理想传感材料。此外，C-NGD还可以作为超级电容器和摩擦电纳米发电机的活性材料。基于之前研究基础（Carbon. 2020, 158: 137-145），通过碳化定向冷冻获得的气凝胶，可以制备具备单层结构或者多层状结构的二维碳材料，这为合成二维碳材料提供了另一种廉价而有效的方法。合成工艺、材料外观及表征如图1所示。
图1（a）制备C-NGD的示意图；（b, c）C-GD纳米片的SEM和TEM图像；（d, e）具有空间互联网络的CNFs的SEM和TEM图像；（f，j）NGD、（g，k）C-NGD、（h，l）CNF和（i，m）C-CNF气凝胶的SEM图像和照片。CNFs作为C-GD的分散剂和纳米增强介质，显著提高了碳气凝胶的力学强度。如图2所示。
