一种GO/MXene复合气凝胶及其制备方法和多环境传感应用技术

本发明专利技术提供了一种GO/MXene复合气凝胶及其制备方法和多环境传感应用，属于传感材料技术领域。本发明专利技术利用水溶性聚乙烯醇增强石墨烯气凝胶的力学性能，通过水热自组装得到具有分级结构的多孔GO水凝胶，通过真空渗透得到复合水凝胶，然后通过真空冷冻干燥和煅烧工艺得到GO/MXene复合气凝胶。本发明专利技术通过水热自组装工艺得到水溶性聚合物增强的石墨烯水凝胶，水溶性聚合物选用富含羟基且生物相容性较好的聚乙烯醇，具有良好的热稳定性和高的反应活性，在水热自组装过程中，聚合物与GO可通过化学交联形成新的共价键从而有效增强GO的力学性能。然后，与二维材料MXene复合，形成三维GO/MXene复合气凝胶。复合气凝胶。复合气凝胶。

【技术实现步骤摘要】
一种GO/MXene复合气凝胶及其制备方法和多环境传感应用


[0001]本专利技术涉及传感材料
，尤其涉及一种GO/MXene复合气凝胶及其制备方法和多环境传感应用。

技术介绍

[0002]碳气凝胶具有特殊的微纳米多孔结构，孔隙率极高，使其表现出比表面积大、电导率高、密度和热导率低等显著特点，是一种很有前途的军用多功能材料。其中，石墨烯气凝胶在军事应用技术方面的最新研究成果，涉及超级电容器、烟幕材料、隐身材料、隔热材料和电极材料等诸多应用领域，尤其在传感器等电极材料领域表现出了巨大的发展潜力。石墨烯气凝胶结构和性能的优化一直是研究的热点话题。
[0003]中国专利CN110090603A中已经公开了MXene与氧化石墨烯复合气凝胶，将MXene纳米负载在GO纳米片上，通过π
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π共轭链接和分子间作用力(氢键，范德华力等)在冰模板的作用下进行自组装行为，形成具有三维多级复合结构的宏观块体材料，用于类水净化场景，但是现有技术中的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶存在压阻性能不佳的问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种GO/MXene复合气凝胶及其制备方法和多环境传感应用。本专利技术制得的GO/MXene复合气凝胶压阻性能优异，灵敏度高。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种GO/MXene复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0007]将氧化石墨烯液晶与聚合物溶液混合，进行水热自组装，得到氧化石墨烯水凝胶；
[0008]将所述氧化石墨烯水凝胶浸没到MXene溶液中进行真空辅助渗透，得到复合水凝胶；
[0009]将所述复合水凝胶进行真空冷冻干燥和煅烧，得到所述GO/MXene复合气凝胶。
[0010]优选地，所述聚合物溶液为聚乙烯醇溶液。
[0011]优选地，所述聚合物溶液的浓度为0.1～1.0mol/L，所述氧化石墨烯液晶的浓度为1～10mg/mL，所述氧化石墨烯液晶与聚合物溶液的体积比为1:(1～10)。
[0012]优选地，所述水热自组装的温度为120～180℃，时间为12～24h，升温至所述水热自组装的温度的升温速率为5～10℃/min。
[0013]优选地，所述真空辅助渗透的压力为0.06～0.12MPa，时间为0.5～2h。
[0014]优选地，所述真空冷冻干燥的温度为
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50～
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30℃，时间为24～48h。
[0015]优选地，所述煅烧是在惰性气体保护下进行，温度为200～300℃，时间为2～4h，升温至所述煅烧的温度的升温速率为10～20℃/min。
[0016]优选地，所述煅烧后还包括将所得分级多孔复合气凝胶浸没于六氯环三磷腈溶液中再干燥。
[0017]本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制得的GO/MXene复合气凝胶，以石墨
烯为骨架，以MXene为涂层。
[0018]本专利技术还提供了上述技术方案所述的GO/MXene复合气凝胶在柔性压阻式传感器中的应用。
[0019]本专利技术提供了一种GO/MXene复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：氧化石墨烯液晶与聚合物溶液混合，进行水热自组装，得到氧化石墨烯水凝胶(GO水凝胶)；将所述氧化石墨烯水凝胶浸没到MXene溶液中进行真空辅助渗透，得到复合水凝胶；将所述复合水凝胶进行真空冷冻干燥和煅烧，得到所述GO/MXene复合气凝胶。
[0020]本专利技术利用聚合物(如聚乙烯醇)增强石墨烯气凝胶的力学性能，聚合物溶液中的聚合物是一种力学增强剂，通过水热自组装得到具有分级结构的多孔GO水凝胶，通过真空渗透得到复合水凝胶，然后通过真空冷冻干燥和煅烧工艺得到GO/MXene复合气凝胶。
[0021]进一步地，本专利技术通过水热自组装工艺得到水溶性聚合物增强的氧化石墨烯水凝胶，水溶性聚合物选用富含羟基且生物相容性较好的聚乙烯醇，具有良好的热稳定性和高的反应活性，在水热自组装过程中，聚合物与GO可通过化学交联形成新的共价键从而有效增强GO的力学性能。然后，再与二维材料MXene复合，形成三维GO/MXene复合气凝胶。
[0022]本专利技术所制备的GO/MXene复合气凝胶具有聚合物增强的分级多孔结构，能够显著提高其力学性能；通过与二维材料MXene复合和煅烧，即通过化学与热还原的方法，进一步增强复合气凝胶的电导率，从而赋予柔性复合气凝胶超高的灵敏度，能够检测身体各个部位的脉搏，比如耳屏、指尖和足背等，该传感器为医学检测全身脉搏提供了一种新的测试手段，也为构筑高弹力、高灵敏度和宽温域的多功能气凝胶基传感器奠定了材料基础。
[0023]进一步地，本专利技术所述煅烧后还包括将所得分级多孔复合气凝胶浸没于六氯环三磷腈溶液中再干燥，六氯环三磷腈是一种阻燃剂，通过阻燃剂的添加，得到多环境适应性、宽温域、高灵敏度的GO/MXene复合气凝胶，解决了高低温交变严苛环境下传感材料易失活和传感器无法工作的问题，因此，本专利技术的GO/MXene基压阻式传感器具有很好的压阻性能和实用性。本专利技术中的轻质、可压缩、宽温域环境下均具有传感性能的多功能气凝胶可在极端温度环境和失重环境的航天领域具有广阔的应用前景。
[0024]本专利技术提供了一种GO/MXene复合气凝胶，以石墨烯为骨架，以MXene为涂层。在石墨烯骨架上形成涂层结构有两个主要原因：一是具有分级结构的多孔GO水凝胶中大孔的直径(1.5mm)远大于MXene纳米片的横向尺寸(0.2～4μm)。二是氧化石墨烯纳米片表面仍存在丰富的含氧官能团，通过共价键合和非共价键合实现氧化石墨烯与MXene纳米片之间的强交联，提高机械强度，增加导电通道。
[0025]实施例的数据表明，本专利技术制得的GO/MXene复合气凝胶可检测人体各个部位的脉搏(包括指尖脉搏、耳屏动脉和足背动脉)，还可以承受
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196℃的低温和300℃的高温，在恶劣的环境下依旧保持稳定的传感性能和优异的阻燃性能。
附图说明
[0026]图1为实施例3制备的GO/MXene复合气凝胶的扫描电镜照片；
[0027]图2为实施例6的柔性三维石墨烯基压阻式传感器在大应变下抗疲劳性和循环稳定性测试曲线，其中a为5％～90％应变下的应力
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应变曲线，b为50％应变下不同压缩速率的应力
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应变曲线；
[0028]图3为实施例6的柔性三维石墨烯基压阻式传感器的响应时间和恢复时间曲线，其中a为响应时间和恢复时间的测试结果，b为灵敏度的拟合结果；
[0029]图4为实施例6制备的复合气凝胶基压阻式传感器的阻燃性能的测试结果以及在高温环境下的传感信号；
[0030]图5为实施例6制备的柔性复合气凝胶基压阻式传感器在液氮中的压缩性能的测试结果以及在液氮中的传感信号；
[0031]图6为实施例6制备的柔性三维复合气凝胶压阻式传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GO/MXene复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将氧化石墨烯液晶与聚合物溶液混合，进行水热自组装，得到氧化石墨烯水凝胶；将所述氧化石墨烯水凝胶浸没到MXene溶液中进行真空辅助渗透，得到复合水凝胶；将所述复合水凝胶进行真空冷冻干燥和煅烧，得到所述GO/MXene复合气凝胶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物溶液为聚乙烯醇溶液。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物溶液的浓度为0.1～1.0mol/L，所述氧化石墨烯液晶的浓度为1～10mg/mL，所述氧化石墨烯液晶与聚合物溶液的体积比为1:(1～10)。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热自组装的温度为120～180℃，时间为12～24h，升温至所述水热自组装的温度的升温速率为5～10℃/min。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金清，陈天弟，杨生荣，李章朋，马立民，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：