DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.105973

目前，研究人员正致力于设计出具有可压缩性、弹性、宽线性灵敏度和多功能特性的碳气凝胶。在本工作中以葡萄糖&双氰胺纳米片（C-GD）和纤维素纳米纤维（CNFs）的煅烧混合物为可持续、廉价的前体，采用生物质介导策略合成了氮掺杂碳气凝胶（C-NGD）。合成的C-NGD具有良好的弹性、可压缩性和抗疲劳性。C-GD与CNFs的相互作用形成了超稳定的波状分层结构，可以承受超高压缩应变（95％）和长期压缩（3000次循环，50％应变）。尤其，在0至10kPa下可获得宽范围的线性灵敏度，该灵敏度高达10.08kPa-1。这些优点使得碳气凝胶可用于可穿戴压阻传感设备中，以检测人体运动和生物信号。此外，C-NGD在超级电容器和摩擦电纳米发电机方面也显示出潜在的应用前景。综上所述，这种源自生物质的碳气凝胶是一种可用于柔性电子设备和能量转换/存储装置中的多功能材料。

图1.（a）通过多步法制备C-NGD的示意图。（b，c）C-GD纳米片的SEM和TEM图像。（d，e）具有互连网络的CNFs的SEM和TEM图像。（f-i）分别为（f，j）NGD，（g，k）C-NGD，（h，l）CNF和（i，m）C-CNF气凝胶的SEM图像和（j-m）数字照片

图2.所制备的C-NGD和C-CNF气凝胶的（a）拉曼光谱，（b）XRD图和（c）C1s高分辨率XPS光谱。C-NGD气凝胶的N1s高分辨率XPS光谱。

图3.（a）C-NGD在不同应变下的压缩应力-应变曲线。（b）C-NGD和（c）C-CNF在50％应变下进行100次循环的压缩应力-应变曲线。（e）C-NGD在（d）90％和（e）95％的高应变下进行100次循环的压缩应力-应变曲线。（f）C-NGD在50％应变下进行3000次循环的压缩应力-应变曲线。

图4.（a）C-CNF和（b）C-NGD气凝胶的压缩弹性机理示意图。

图5.（a）在不同压缩应变下C-NGD的相对电阻变化。（b）在50％压缩应变下，C-NGD在不同频率下的相对电阻变化。（c）C-NGD的响应时间和弛豫时间。（d）C-NGD在50％应变下进行3000次循环的相对电阻变化。（e）C-NGD在1％压缩应变下的应变系数。（f）在0-10kPa压力范围内的线性灵敏度。（g）比较C-NGD和其他传感材料的灵敏度。（h）C-NGD在50％应变下进行3000次循环的抗疲劳性。

图6.（a）C-NGD传感器的示意图。（b）通过按压，（c-e）手指、手腕和腿部的人体关节运动，（f）面部笑容，（g）呼吸，（h）吞咽的喉部运动，（i）手腕脉搏引起C-NGD传感器的相对电阻变化。

图7.（a-b）C-NGD在有/无按压情况下的SEM图像，插图是对应的照片。（c）在不同扫描速率下C-NGD的循环伏安（CV）曲线。（d）C-NGD在0.5至10A/g的不同电流密度下的恒电流充放电（GCD）曲线。（e）C-NGD在0.5-10A/g电流密度范围内的比电容。（f）C-NGD在10A/g电流密度下的循环性能。插图显示了第一个和第2000个循环的充放电曲线。

图8.（a）线性电机在1.0Hz频率下测试的短路电流（Isc），（b）开路电压（Voc）和（c）短路转移电荷（Qsc）曲线。