中科院苏州纳米所张学同团队ACS Nano：多功能芳纶纳米纤维/碳纳米管杂化气凝胶薄膜

【引言】

气凝胶是具有纳米孔结构的超轻固体材料，用气体代替凝胶中的液体组分即可获得气凝胶。连续的网络结构使气凝胶具有极低密度、超高比表面积和极低热导率等特性，使其在催化剂载体、环境净化、能量存储和热管理等领域具有重要意义。与气凝胶块体或气凝胶纤维相比，气凝胶薄膜不仅具有气凝胶的多孔性，还具有薄膜的结构特性，在电池、超级电容器、个人可穿戴设备、水净化等新兴领域具有广阔的应用前景。其中无机气凝胶薄膜由于构成气凝胶骨架的无机纳米颗粒（如二氧化硅、金属纳米颗粒）之间的弱交联，通常难以形成自支撑的气凝胶薄膜。与无机气凝胶薄膜相比，有机高分子气凝胶薄膜往往具有更好的力学性能。然而，有机气凝胶薄膜的电/热导率通常较低、颜色较浅、因此不能采用电/光的方式进行驱动。而碳基（如石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维）气凝胶薄膜具有良好的导电、导热性能，在传感器、热调节、储能和电磁屏蔽（EMI）等方面具有广阔的应用前景。因此，将芳纶纳米纤维与碳纳米管复合，从而制备出有机/碳杂化气凝胶薄膜，可同时获得优异的力学性能和电学性能。

【成果简介】

近日，在中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同教授和海南大学陈永平教授团队（共同通讯作者）带领下，展示了一种多功能气凝胶薄膜。该薄膜由芳纶纳米纤维（ANFs）、导电碳纳米管（CNTs）和氟碳树脂（FC）组成。所得混合气凝胶薄膜具有较大的比表面积（232.8 m2·g^-1）、高电导率（230 S·m^-1）和优异的疏水性（接触角高达137.0°），具有优异的焦耳热效应和电磁屏蔽（EMI）性能。FC涂层使亲水的ANF/CNT气凝胶薄膜具有疏水性，具有出色的自清洁性能。高电导率可实现低电压驱动的焦耳加热性能，并在厚度为568μm的X波段实现54.4 dB的电磁屏蔽效能（SE）。比电磁屏蔽效能高达33528.3 dB·cm²·g^-1。这种多功能气凝胶薄膜在智能服装、电磁波屏蔽和个人热管理系统方面有着巨大的应用前景。相关成果以题为“Multifunctional Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Hybrid Aerogel Films”发表在了ACS Nano上。

【图文导读】

图1 FC-ANF/CNT杂化气凝胶膜的制备示意图

图2 FC-ANF/CNT杂化气凝胶薄膜的特征

（a）FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的照片。

（b）杂化气凝胶薄膜在弯曲、卷曲和扭曲下的照片。

（c）冷冻干燥的FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的SEM图像。

（d）CNT、ANF、ANF/CNT、FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的氮吸附-解吸等温曲线。插图是它们的孔尺寸。

（e, f）CNT、ANF、ANF/CNT、FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的（e）XRD图谱和（f）拉曼光谱。

（g）不同CNT含量的FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的应力-应变曲线。

（h）不同CNT含量的FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的杨氏模量和极限强度。

（i）循环拉伸模式验证FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的抗疲劳性。

图3 FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的疏水性能

（a₁）FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的接触角照片。

（a₂）FC-ANF/CNT气凝胶薄膜表面上不同酸碱性液滴的形态：碱液（蓝色，pH 12）、纯水（黄色，pH 7）和酸液（红色，pH 2）。

（b）FC-ANF/CNT气凝胶薄膜上热水滴的红外图像和接触角照片。

（c, d）FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的自清洁性能。

（e）手指擦拭前后接触角。插图是第20周手指擦拭前后的接触角和手指擦拭测试的照片。

图4 FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的焦耳热特性

（a）具有不同CNT含量的FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的电导率。

（b）FC-ANF/CNT气凝胶薄膜在不同电压下的电加热性能。

（c）FC-ANF/CNT气凝胶薄膜在电压逐步增加/减少的情况下的温度变化。插图中的红外图像显示了在4 V电压下薄膜的非润湿状态。

（d）FC-ANF/CNT在10 V恒定电压下的温度稳定性。

（e）FC-ANF/CNT气凝胶薄膜在10 V下的循环焦耳热性能。

图5 FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的EMI屏蔽性能

（a）568μm厚度下，不同CNT含量的FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的EMI SE。

（b）不同CNT含量的FC-ANF/CNT气凝胶的EMI SE_A。

（c）FC-ANF/CNT气凝胶薄膜吸收和反射对总EMI SE （在12.3 GHz处）的贡献（CNT含量的函数）。

（d）不同厚度的FC-ANF/CNT薄膜的EMI SE（CNT含量为27 wt％）。

图6 FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的EMI屏蔽机制

（a）提出了FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的EMI屏蔽机制。

（b）FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的EMI屏蔽性能与其他屏蔽材料（金属、纳米碳、导电聚合物等）在X波段进行比较。

（c）FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的比电磁屏蔽效率（SSE/t）与其他屏蔽材料进行比较。

【小结】

总之，采用了一种高效、简单的方法来制备柔性、疏水、自支撑的FC-ANF/CNT杂化气凝胶薄膜。FC树脂使初始的亲水气凝胶薄膜具有疏水性和自清洁性，可在恶劣环境下，提供长期稳定性。FC-ANF/CNT杂化气凝胶薄膜具有优异的焦耳热效应，具有加热速率块、驱动电压低、加热可靠性高、稳定性和重复性好等优点。此外，FC-ANF/CNT气凝胶薄膜具有良好的电磁屏蔽性能。在X波段厚度为568μm时， EMI SE值为54.4 dB，而SSE/t值高达33528.3 dB·cm²/g。这种多功能的FC-ANF/CNT气凝胶薄膜将在智能薄膜、可穿戴电子设备、EMI屏蔽服装和个人热管理系统等领域具有应用前景。

文献链接：Multifunctional Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Hybrid Aerogel Films（ACS Nano, 2019, DOI:10.1021/acsnano.9b07459）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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