一种双功能层状碳气凝胶、制备方法及应用

本发明属于气凝胶领域，具体涉及一种双功能层状碳气凝胶、制备方法及应用。

背景技术：

1、随着物联网和人工智能技术的日新月异，人机交互、电子皮肤以及健康监测等领域对绿色、多功能的超级电容器和传感器材料的需求愈发迫切。碳气凝胶，因其出色的导电性和巨大的比表面积，被视为一种极具潜力的候选材料。

2、然而，传统的碳气凝胶制备过程往往依赖于酚醛树脂、间苯二酚等化工原料。尽管这些原料能够赋予碳气凝胶良好的交联性，但其生产工艺却相对繁琐，且存在严重的环境污染问题。此外，高昂的原料成本以及混乱的凝胶结构导致的力学性能欠佳，都在一定程度上限制了碳气凝胶在柔性电子器件领域的广泛应用。

3、在这样的背景下，寻求绿色可持续、低成本、无毒无害的前驱体体系来制备碳气凝胶显得尤为重要。这不仅有助于降低生产成本，还能有效减少环境污染，实现可持续发展。同时，探索生产工艺简单、微观结构可调的碳气凝胶也是当前研究的热点之一。

4、近年来，科学家们已经开始尝试使用生物质资源，如生物质废弃物、生物质油脂等作为前驱体，制备碳气凝胶。这些生物质资源不仅来源广泛、成本低廉，而且具有良好的生物相容性和环境友好性。通过优化制备工艺，可以实现对碳气凝胶微观结构的精准调控，从而改善其力学性能，拓展其在柔性电子器件领域的应用。

5、例如，利用农业废弃物如稻草、玉米秸秆等作为碳源，通过简单的碳化过程，可以制备出具有优异导电性和高比表面积的碳气凝胶。这些碳气凝胶在超级电容器和传感器领域展现出良好的应用前景。此外，通过引入纳米填料、构建复合结构等方法，还可以进一步提升碳气凝胶的性能，满足更多领域的需求。

6、总之，随着绿色可持续发展理念的深入人心，开发绿色、多功能的碳气凝胶材料已成为当务之急。通过探索绿色可持续的前驱体体系、优化生产工艺以及调控微观结构，有望为碳气凝胶在柔性电子器件领域的应用开辟新的道路，为物联网和人工智能技术的发展提供有力支撑。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的不足，提供一种双功能层状碳气凝胶、制备方法及应用。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种双功能层状碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、配置纳米纤维素、壳聚糖、氧化石墨烯、活化剂和交联剂的前驱体溶液，然后将该前驱体溶液倒入模具中，利用热交联的方式制备水凝胶；

5、s2、将一块l型的铜板置于s1中盛有水凝胶的模具的底部，l型铜板的一侧与模具的底部贴合，另一侧与模具的侧面接触且该侧铜板的高度位于模具侧面的1/3至2/3处，向铜板与模具底部贴合的一侧施加液氮，使得水凝胶内部和侧面同时产生冰晶的定向生长；

6、s3、将步骤s2中冷冻后的水凝胶真空冷冻干燥，制备得到层状气凝胶；

7、s4、将步骤s3制备的层状气凝胶置于管式炉中碳化，制备得到层状碳气凝胶。

8、进一步地，步骤s1中，所述纳米纤维素、壳聚糖和氧化石墨烯的质量比为1∶1∶1。

9、进一步地，步骤s1中，所述活化剂为氯化锌，其用量与纳米纤维素的质量比为1∶1。

10、进一步地，步骤s1中，所述交联剂为戊二醛，其用量与纳米纤维素的质量比1∶5。

11、进一步地，步骤s1中，所述热交联是将盛有前驱体溶液的模具置于真空烘箱中，在50～60℃的真空环境下加热1～2小时。

12、进一步地，步骤s3中，冷冻干燥条件为-60℃，冷冻72h，真空度为1pa。

13、进一步地，步骤s4中，所述碳化的碳化温度为900℃，升温速率3℃/min，保温时间为2h，保护气氛为氩气。

14、另一方面，本发明提供一种通过上述制备方法得到的双功能层状碳气凝胶。

15、再一方面，本发明提供上述双功能层状碳气凝胶在制备超级电容器和压力传感器方面的应用。

16、本发明的有益效果是：本发明设计了一种低能双向冷冻方法，以天然可再生纤维素纳米纤维(cnf)和壳聚糖(cs)为生物基质，氧化石墨烯(go)为导电填料，成功制备了高性能多功能碳气凝胶。双向冷冻干燥技术在制备气凝胶超级电容器时，相较于单向冷冻和各向同性冷冻干燥，能够更加有效地控制气凝胶的孔隙结构和孔径分布。这种方法通过从两个方向对材料进行冷冻，促使冰晶在材料中均匀生长，进而在干燥过程中形成更加均匀且连通的孔隙网络。这样的孔隙结构有助于减少离子在电解质中的传输路径，提高离子的传输效率，从而增强超级电容器的电荷存储能力和功率密度。同时，双向冷冻还可以提高材料的机械强度和结构稳定性，使其在长期使用中更加稳定可靠。

17、试验结果表明，碳气凝胶具有较大的比表面积(622.79m2/g)，可承受80％的高压应变。碳气凝胶电极材料在3电极体系中表现出较高的比电容(1a/g时为299f/g)。在双电极系统中对组装的对称固态超级电容器进行了测试，该系统具有优异的面积比电容(1.8ma/cm2时为381.8mf/cm2)和循环稳定性(5000次循环，电容保持率为91.8％)。此外，碳气凝胶具有25.2kpa-1的优异线性灵敏度，可组装成压力传感器，实时监测人体手指、手腕、喉咙等生物信号。这些优异的性能使碳气凝胶能够用于能量存储设备和可穿戴电子产品。

技术特征：

1.一种双功能层状碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种双功能层状碳气凝胶的制备方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的一种双功能层状碳气凝胶的制备方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的一种双功能层状碳气凝胶的制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的一种双功能层状碳气凝胶的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的一种双功能层状碳气凝胶的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的一种双功能层状碳气凝胶的制备方法，其特征在于，

8.如权利要求1～7任一项所述的制备方法得到的双功能层状碳气凝胶。

9.如权利要求8所述的双功能层状碳气凝胶在制备超级电容器和压力传感器方面的应用。

技术总结本明涉及一种双功能层状碳气凝胶的制备方法及应用，包括以下步骤：S1、配置纳米纤维素、壳聚糖和氧化石墨烯水凝胶前驱体、氯化锌活化剂和戊二醛交联剂的混合溶液;利用立方体模具固定水凝胶的形状，通过热交联方式形成水凝胶；S2、将步骤S1制备的水凝胶置于L型铜板直角处，通过在铜板底部施加液氮使得水凝胶内部冰晶快速定向生长；S3、将步骤S2制备的冷冻水凝胶进行真空冷冻干燥得到层状气凝胶；S4、将步骤S3制备的层状气凝胶放置于管式炉中进行碳化得到层状碳气凝胶。本发明为合成双功能的碳气凝胶提供了有效策略，在能量存储设备和可穿戴电子器件中具有广阔的应用价值。技术研发人员：徐朝阳,董兆极,谭思聪受保护的技术使用者：南京林业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5