聚酰亞胺納米纖維/MXene復合氣凝膠可壓力傳感也可油水分離

鄭州大學申長雨院士團隊劉春太、劉虎等人與中科院北京納米能源與系統研究所潘曹峰等人合作，通過冷凍干燥和熱亞胺化工藝，研制出具有典型“層狀支撐（layer-strut）”的多級納米纖維結構的導電聚酰亞胺納米纖維(PINF)/MXene復合氣凝膠。

研究人員首先制備了橫向尺寸600 nm，厚度僅6nm的高質量透明二維MXene納米片。由于納米片表面極性和親水基團（-O、-OH、-F），研究人員選用去離子水作為分散介質，形成了穩定的膠體懸浮液。采用氧等離子體處理，提高了PINF 的親水性，成功獲得均相PINF/MXene 混合物。隨后以水溶性聚酰胺酸(PAA)作為粘合劑，在氣凝膠形成過程中將分散的PINF和MXene粘合在一起。在經過熱亞胺化處理后，PAA 最終轉化為PI，將PINFPINF 和PINF-MXene 連接，大大提升復合氣凝膠的結構穩定性。微觀形貌顯示，純PINF 氣凝膠呈現各向同性的開孔結構，孔隙大小80～100μm。這些孔隙形成的原因主要是溶劑晶體成核，以及溶劑晶體和PINF 之間的相分離。對于PINF/MXene復合氣凝膠，除了分層的開孔結構，溶劑晶體的增長和擴張使二維MXene納米片呈現出取向性，導致了有序的分層結構，其中PINF 作為支柱連接相鄰層，層間距約為100μm。每一層的層狀結構主要由2D MXene納米片和1D PINF組成，并通過熱亞胺化的PAA強力焊接。

得益于PINF 和MXene 之間的多孔結構和牢固的結合，該復合氣凝膠的密度低至9.98 mg·cm-3，可承受-50℃～250℃的惡劣溫度，高達90%的應變，以及超過1000次循環的抗疲勞能力。用作壓敏電阻傳感器時，感應能力可達85.21kPa（對應90%的應變)，表現出超低的檢測極限0.01kPa（對應0.5%的應變)，超過1000個周期抗疲勞特性以及極端環境下優秀的穩定性和再現性。此外，復合氣凝膠的疏水性和多級孔狀結構還具有良好的油水分離性能，吸附量高達55.85～135.29 g·g-1，可循環利用。該研究有望為人體運動/物理信號檢測和高效的油水分離提供一種新型多功能平臺。