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氣凝膠纖維能夠?qū)?span id="fzz0bh1" class="wpcom_tag_link">氣凝膠的輕量化和介孔特性與纖維的柔韌和細(xì)長特性相結(jié)合，在智能織物、柔性電子和透明光學(xué)等領(lǐng)域頗受關(guān)注。近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所氣凝膠團(tuán)隊(duì)采用動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠濕法紡絲和超臨界干燥聯(lián)用策略，制備出具有高導(dǎo)電性、高取向性且具有優(yōu)異電熱/光熱雙響應(yīng)性的Ti₃C₂T_xMXene氣凝膠纖維（MAF），如圖1所示。與靜態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變策略相比，動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠紡絲策略在MXene氣凝膠的制備中展現(xiàn)出連續(xù)性和批量生產(chǎn)的優(yōu)勢。MAF的電導(dǎo)率高達(dá)10^4?S/m，比石墨烯氣凝膠纖維高1個(gè)數(shù)量級(jí)，比文獻(xiàn)中報(bào)道的其他MXene氣凝膠高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。在極低的輸入電壓（4.5V）下，單根MAF響應(yīng)速度0.4s，表面溫度能升至178?℃。這些特性使MAFs在柔性可穿戴設(shè)備、智能織物和便攜式設(shè)備等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

研究基于MXene納米片分散液的可紡性和金屬Ca²⁺的交聯(lián)作用，利用動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠濕法紡絲和超臨界CO₂干燥制備出MAF。如圖2所示，MAF內(nèi)部形貌呈現(xiàn)出連續(xù)均勻的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而表面形貌相對(duì)致密。隨著初始濃度的降低，MAF的比表面積從65 m²/g增加到142 m²/g，孔容從0.197?cm³/g增加到0.342 cm³/g。結(jié)果表明，超臨界CO₂干燥工藝對(duì)氣凝膠纖維的孔隙結(jié)構(gòu)損傷最小。與文獻(xiàn)中報(bào)道的MXene泡沫、MXene氣凝膠塊體和MXene膜相比，MAF的比表面積更具有優(yōu)勢。此外，MAF的孔隙率可達(dá)99.3 %，密度可低至0.035 g/cm³。

如圖3所示，研究通過2D廣角x射線散射（WAXS）測試，剖析了紡絲液濃度、擠出速度和牽引速度對(duì)氣凝膠纖維微觀結(jié)構(gòu)的影響。MXene氣凝膠塊體的2D WAXS散射圖形呈圓形，表明內(nèi)部MXene納米片是隨機(jī)的。相比之下，MAF的2D WAXS散射圖形呈梭狀，沿垂直方向延伸，反映了MXene納米片沿纖維軸的優(yōu)先取向。科研人員采用取向因子f定量研究MXene納米片的取向程度（其中f?= 0表示完全隨機(jī)；f?= 1表示完全取向）。相比MXene氣凝膠塊體的取向因子f為0，MAF具有高取向度，取向因子f最高達(dá)到0.68。結(jié)果表明，高濃度的紡絲液、擠出過程中的剪切力和收集過程中的拉伸力有利于MXene納米片在氣凝膠纖維中的定向排列。

得益于Ti₃C₂T_xMXene的本征金屬性質(zhì)和MAF的高取向性，MAF的電導(dǎo)率高達(dá)10^4?S/m，比石墨烯氣凝膠纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)，比MXene氣凝膠塊體高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。如圖4所示，采用DST策略制備的純MXene氣凝膠纖維導(dǎo)電性能優(yōu)于已報(bào)道的CNT基氣凝膠、石墨烯基氣凝膠、金屬基氣凝膠和MXene基氣凝膠等。其中，MAF（11170 S/m）的電導(dǎo)率是碳納米管氣凝膠（9.4 S/m）的1245倍，是銅納米線基氣凝膠（1280S/m）的9倍。研究顯示，MXene納米片具有優(yōu)異的導(dǎo)電性得益于三點(diǎn)：MXene納米片本征金屬導(dǎo)電性；大片MXene納米片（幾微米~十幾微米）；動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變策略誘導(dǎo)MXene納米片的高度取向。MXene納米片還具有優(yōu)異的電熱性能，在極低的輸入電壓（4.5 V）下，單根MAF以極快的響應(yīng)速度（0.4 s）使其表面溫度升至178?℃。與商用碳纖維相比，MAF表現(xiàn)出更低的響應(yīng)電壓，在相同輸入電壓下表現(xiàn)出更快的響應(yīng)速度和更高的表面溫度。

如圖5所示，MAF具有高光吸收能力，在近紅外區(qū)域接近100 %。MXene（20.5 L g^-1cm^-1）的消光系數(shù)比氧化石墨烯（3.6 L g^-1cm^-1）高約5.7?倍，MAF表現(xiàn)出出色的光熱響應(yīng)能力。在一個(gè)太陽光下，單根MAF的溫度可升至40?℃；多根MAFs的溫度可以升至47?℃。此外，MAF在低溫下也具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換功能，在極低溫度下也可具有光熱效果。MAF的光熱響應(yīng)性能在循環(huán)過程中沒有表現(xiàn)出任何顯著惡化，表明MAF作為光熱響應(yīng)材料在光加熱器領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

該研究運(yùn)用動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠濕紡策略制備出Ti₃C₂T_xMXene氣凝膠纖維，這種高導(dǎo)電的氣凝膠纖維豐富了氣凝膠纖維種類，并為高導(dǎo)電性氣凝膠材料的制備提供了新思路；MXene氣凝膠纖維作為智能響應(yīng)纖維，在柔性可穿戴設(shè)備和光/電加熱等領(lǐng)域顯現(xiàn)出應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以Electrically Conductive, Optically Responsive, and Highly Orientated Ti₃C₂T_xMXene Aerogel Fibers為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和英國皇家學(xué)會(huì)-牛頓高級(jí)學(xué)者基金等的資助。

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