氣凝膠是一種具有三維多孔結(jié)構(gòu)的超輕固體納米材料。近年來，以高分子納米纖維、碳納米纖維、石墨烯、碳納米管及MXene等為納米構(gòu)筑單元的氣凝膠層出不窮，多種多樣的納米構(gòu)筑單元結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)一步拓寬了氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。氣凝膠薄膜具有氣凝膠的多孔特性、薄膜的維度特性，在電池、超級電容器等領(lǐng)域頗具應(yīng)用價值。目前，研究多聚焦在氣凝膠薄膜的構(gòu)筑單元選擇上，尚無有效的方法實現(xiàn)氣凝膠薄膜納米構(gòu)筑單元微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計。近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同團隊提出了納米纖維三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層狀化工程策略，實現(xiàn)了碳納米管氣凝膠薄膜的高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑，制備出了一種具有致密層狀多孔結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)電碳納米管氣凝膠薄膜。
如圖1所示，芳綸納米纖維/碳納米管（ANF/CNT）復(fù)合氣凝膠薄膜是由納米纖維構(gòu)筑的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，納米纖維隨機取向。在定向應(yīng)力誘導(dǎo)下，納米纖維向垂直于應(yīng)力方向重新排布，最終所有的納米纖維將在垂直于應(yīng)力方向堆積，形成致密層狀結(jié)構(gòu)。致密的層狀結(jié)構(gòu)能夠有效增強力學(xué)性能和構(gòu)筑高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。而在這一過程中，氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)由于致密堆積而部分消失，同時不導(dǎo)電ANF的致密堆積不利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成。后續(xù)通過熱處理碳化，刻蝕掉不導(dǎo)電的ANF，保留致密堆積的碳納米管，實現(xiàn)高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑，在這個過程中，ANF的碳化熱分解會誘導(dǎo)孔隙再生。
如圖2所示，研究通過廣角X射線散射（WAXS）探究了ANF/CNT氣凝膠薄膜在應(yīng)力誘導(dǎo)下的雙軸取向過程。ANF/CNT的2D散射圖形呈圓形，表明ANF和CNT是隨機取向的。當(dāng)施加一定的應(yīng)力后，從SEM圖上可以明顯看到ANF和CNT均發(fā)生了重構(gòu)現(xiàn)象，采取取向因子F定量研究了納米纖維雙軸取向過程與定向應(yīng)力之間的關(guān)系（F = 0表示完全隨機；F = 1表示完全取向）。
如圖3所示，研究剖析了碳化溫度對氣凝膠薄膜力學(xué)、比表面積、孔徑結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、密度以及親疏水性能的影響。研究通過ANF和CNT的雙軸取向重構(gòu)后，氣凝膠薄膜的力學(xué)性能得到顯著增強。隨著碳化溫度的增加，薄膜的電導(dǎo)率逐漸增強。當(dāng)碳化溫度為750℃時，薄膜的電導(dǎo)率可達(dá)8540S m-1；進(jìn)一步提高碳化溫度后，薄膜的電導(dǎo)率逐漸降低。這是由于ANF在熱分解碳化過程中產(chǎn)生小分子的氣體會誘導(dǎo)薄膜的孔隙再生行為。CNT和ANF具有疏水性和親水性，隨著ANF的熱分解，氣凝膠薄膜的疏水角逐漸增加，表現(xiàn)出一定的疏水性能。
由于致密層結(jié)構(gòu)形成的高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和多孔結(jié)構(gòu)的多重內(nèi)部反射，該碳納米管氣凝膠薄膜在X波段表現(xiàn)出200648dB cm2g-1的優(yōu)異絕對屏蔽效能（SSE/t），超過多數(shù)已報道的氣凝膠材料。此外，該氣凝膠具有良好的電加熱性能。當(dāng)施加電壓為2 V時，氣凝膠薄膜的表面溫度在1 min內(nèi)可升至40.5 ℃，施加電壓為5 V時，表面溫度可達(dá)100.2 ℃，同時該薄膜在彎折情況下表現(xiàn)出良好的電加熱性能。結(jié)果表明，所獲得的碳納米管氣凝膠薄膜在輕量化電磁屏蔽材料和電加熱材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
該研究利用層狀化結(jié)構(gòu)工程策略實現(xiàn)了碳納米管氣凝膠薄膜納米構(gòu)筑單元的有序排列，在碳納米管氣凝膠中引入層狀致密堆積結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑出高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，為高導(dǎo)電性碳納米管氣凝膠薄膜的制備提供了新思路。此外，該碳納米管氣凝膠薄膜在輕量化電磁屏蔽材料和電加熱等領(lǐng)域顯現(xiàn)出應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以Laminated Structural Engineering Strategy toward Carbon Nanotube-Based Aerogel Films為題，發(fā)表在ACS Nano上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、江蘇省自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金、英國皇家學(xué)會-牛頓高級學(xué)者基金等的支持。
