【引言】

氣凝膠是具有納米孔結(jié)構(gòu)的超輕固體材料，用氣體代替凝膠中的液體組分即可獲得氣凝膠。連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使氣凝膠具有極低密度、超高比表面積和極低熱導(dǎo)率等特性，使其在催化劑載體、環(huán)境凈化、能量存儲(chǔ)和熱管理等領(lǐng)域具有重要意義。與氣凝膠塊體或氣凝膠纖維相比，氣凝膠薄膜不僅具有氣凝膠的多孔性，還具有薄膜的結(jié)構(gòu)特性，在電池、超級(jí)電容器、個(gè)人可穿戴設(shè)備、水凈化等新興領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中無機(jī)氣凝膠薄膜由于構(gòu)成氣凝膠骨架的無機(jī)納米顆粒（如二氧化硅、金屬納米顆粒）之間的弱交聯(lián)，通常難以形成自支撐的氣凝膠薄膜。與無機(jī)氣凝膠薄膜相比，有機(jī)高分子氣凝膠薄膜往往具有更好的力學(xué)性能。然而，有機(jī)氣凝膠薄膜的電/熱導(dǎo)率通常較低、顏色較淺、因此不能采用電/光的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而碳基（如石墨烯、碳納米管、碳納米纖維）氣凝膠薄膜具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，在傳感器、熱調(diào)節(jié)、儲(chǔ)能和電磁屏蔽（EMI）等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，將芳綸納米纖維與碳納米管復(fù)合，從而制備出有機(jī)/碳雜化氣凝膠薄膜，可同時(shí)獲得優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能。

【成果簡介】

近日，在中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同教授和海南大學(xué)陳永平教授團(tuán)隊(duì)（共同通訊作者）帶領(lǐng)下，展示了一種多功能氣凝膠薄膜。該薄膜由芳綸納米纖維（ANFs）、導(dǎo)電碳納米管（CNTs）和氟碳樹脂（FC）組成。所得混合氣凝膠薄膜具有較大的比表面積（232.8 m2·g^-1）、高電導(dǎo)率（230 S·m^-1）和優(yōu)異的疏水性（接觸角高達(dá)137.0°），具有優(yōu)異的焦耳熱效應(yīng)和電磁屏蔽（EMI）性能。FC涂層使親水的ANF/CNT氣凝膠薄膜具有疏水性，具有出色的自清潔性能。高電導(dǎo)率可實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)的焦耳加熱性能，并在厚度為568μm的X波段實(shí)現(xiàn)54.4 dB的電磁屏蔽效能（SE）。比電磁屏蔽效能高達(dá)33528.3 dB·cm²·g^-1。這種多功能氣凝膠薄膜在智能服裝、電磁波屏蔽和個(gè)人熱管理系統(tǒng)方面有著巨大的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以題為“Multifunctional Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Hybrid Aerogel Films”發(fā)表在了ACS Nano上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 FC-ANF/CNT雜化氣凝膠膜的制備示意圖

圖2 FC-ANF/CNT雜化氣凝膠薄膜的特征

（a）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的照片。

（b）雜化氣凝膠薄膜在彎曲、卷曲和扭曲下的照片。

（c）冷凍干燥的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的SEM圖像。

（d）CNT、ANF、ANF/CNT、FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的氮吸附-解吸等溫曲線。插圖是它們的孔尺寸。

（e, f）CNT、ANF、ANF/CNT、FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的（e）XRD圖譜和（f）拉曼光譜。

（g）不同CNT含量的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

（h）不同CNT含量的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的楊氏模量和極限強(qiáng)度。

（i）循環(huán)拉伸模式驗(yàn)證FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的抗疲勞性。

圖3 FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的疏水性能

（a₁）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的接觸角照片。

（a₂）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜表面上不同酸堿性液滴的形態(tài)：堿液（藍(lán)色，pH 12）、純水（黃色，pH 7）和酸液（紅色，pH 2）。

（b）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜上熱水滴的紅外圖像和接觸角照片。

（c, d）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的自清潔性能。

（e）手指擦拭前后接觸角。插圖是第20周手指擦拭前后的接觸角和手指擦拭測(cè)試的照片。

圖4 FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的焦耳熱特性

（a）具有不同CNT含量的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的電導(dǎo)率。

（b）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜在不同電壓下的電加熱性能。

（c）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜在電壓逐步增加/減少的情況下的溫度變化。插圖中的紅外圖像顯示了在4 V電壓下薄膜的非潤濕狀態(tài)。

（d）FC-ANF/CNT在10 V恒定電壓下的溫度穩(wěn)定性。

（e）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜在10 V下的循環(huán)焦耳熱性能。

圖5 FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的EMI屏蔽性能

（a）568μm厚度下，不同CNT含量的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的EMI SE。

（b）不同CNT含量的FC-ANF/CNT氣凝膠的EMI SE_A。

（c）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜吸收和反射對(duì)總EMI SE （在12.3 GHz處）的貢獻(xiàn)（CNT含量的函數(shù)）。

（d）不同厚度的FC-ANF/CNT薄膜的EMI SE（CNT含量為27 wt％）。

圖6 FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的EMI屏蔽機(jī)制

（a）提出了FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的EMI屏蔽機(jī)制。

（b）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的EMI屏蔽性能與其他屏蔽材料（金屬、納米碳、導(dǎo)電聚合物等）在X波段進(jìn)行比較。

（c）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的比電磁屏蔽效率（SSE/t）與其他屏蔽材料進(jìn)行比較。

【小結(jié)】

總之，采用了一種高效、簡單的方法來制備柔性、疏水、自支撐的FC-ANF/CNT雜化氣凝膠薄膜。FC樹脂使初始的親水氣凝膠薄膜具有疏水性和自清潔性，可在惡劣環(huán)境下，提供長期穩(wěn)定性。FC-ANF/CNT雜化氣凝膠薄膜具有優(yōu)異的焦耳熱效應(yīng)，具有加熱速率塊、驅(qū)動(dòng)電壓低、加熱可靠性高、穩(wěn)定性和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，F(xiàn)C-ANF/CNT氣凝膠薄膜具有良好的電磁屏蔽性能。在X波段厚度為568μm時(shí)， EMI SE值為54.4 dB，而SSE/t值高達(dá)33528.3 dB·cm²/g。這種多功能的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜將在智能薄膜、可穿戴電子設(shè)備、EMI屏蔽服裝和個(gè)人熱管理系統(tǒng)等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。