迪肯大学《ACS Nano》1000次压缩/释放循环，保留

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

　　【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