[发明专利]一种三维石墨烯/碳纳米管气凝胶及其制备方法和应用、柔性传感器

说明书

本发明提供了一种三维石墨烯/碳纳米管气凝胶及其制备方法和应用、柔性传感器，属于纳米材料技术领域。本发明提供的三维石墨烯/碳纳米管气凝胶，包括三维石墨烯气凝胶，分散在所述三维石墨烯气凝胶中的碳纳米管、金属离子和阴离子表面活性剂；所述三维石墨烯/碳纳米管气凝胶的密度为1～7mg/cm³。在本发明中，阴离子表面活性剂可以有效地锚定金属离子，使金属离子作为氧化石墨烯层间的分子桥，有效地降低电子的跃迁能垒，显著提高气凝胶的力学性能和导电性能；阴离子表面活性剂可以高效的分散碳纳米管，且不会在碳纳米管表面造成结构缺陷，也没有引入含氧基团，因而本发明提供的三维石墨烯/碳纳米管气凝胶密度低、导电性和力学性能好。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种三维石墨烯/碳纳米管气凝胶及其制备方法和应用、柔性传感器。

背景技术

高弹性、低密度的三维石墨烯气凝胶材料是实现柔性应变传感器高灵敏度的前提。然而，传统的低密度三维石墨烯气凝胶材料往往难以获得良好的机械弹性。JinqingWang等(参见J.Mater.Chem.C,2018,6,8717-8725)在三维石墨烯材料中引入了魔芋葡甘聚糖，大大增强了三维细胞结构的弹性，使材料在1.56mg/cm³的低密度下具有10.3kPa的杨氏模量，基于该材料组装的柔性应变传感器的灵敏度为0.28kPa^-1；然而该材料的力学性能和导电性能较差，制备的柔性传感器的灵敏度不够高。Chen等(参见Chen,P.；Xiao,T.；Qian,Y.；Adv.Mater.2013,25,3192-3196.)研究发现，通过在三维石墨烯气凝胶材料中引入碳纳米管可以显著地提高石墨烯/碳纳米管气凝胶的峰值电流和压缩耐久性；然而，该气凝胶中的碳纳米管表面具有严重的结构缺陷并且含氧官能团数量多，导致气凝胶的力学性能不够高。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维石墨烯/碳纳米管气凝胶及其制备方法和应用、柔性传感器，本发明提供的三维石墨烯/碳纳米管气凝胶密度低、导电性能和力学性能优异。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种三维石墨烯/碳纳米管气凝胶，包括三维石墨烯气凝胶，分散在所述三维石墨烯气凝胶中的碳纳米管、金属离子和阴离子表面活性剂；

所述三维石墨烯/碳纳米管气凝胶的密度为1～10mg/cm³。

优选的，所述金属离子包括钙离子、镁离子、铁离子、钡离子和铜离子中的一种或几种；

所述碳纳米管和三维石墨烯气凝胶的质量比为(8～10)：(30～400)；

所述碳纳米管的质量和金属离子的物质的量之比为(8～10)g：(0.5～10.5)mmol；

所述阴离子表面活性剂为十二烷基盐；

所述金属离子和阴离子表面活性剂的摩尔比为(0.5～10.5)：(10～30)。

本发明提供了上述技术方案所述的三维石墨烯/碳纳米管气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

将金属盐水溶液、阴离子表面活性剂水溶液、碳纳米管和氧化石墨烯混合，进行水热自组装反应，得到氧化石墨烯/碳纳米管水凝胶；

将所述氧化石墨烯/碳纳米管水凝胶、还原剂和乙酸混合，进行还原反应，得到三维石墨烯/碳纳米管气凝胶。

优选的，所述金属盐水溶液的浓度为0.05～1.0mol/L；

所述阴离子表面活性剂水溶液的浓度为0.1～1.5mol/L。

优选的，所述水热自组装反应的温度为160～190℃，时间为10～20h。