聚酰亚胺纳米纤维/MXene复合气凝胶可压力传感也可油水分离

郑州大学申长雨院士团队刘春太、刘虎等人与中科院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰等人合作，通过冷冻干燥和热亚胺化工艺，研制出具有典型“层状支撑（layer-strut）”的多级纳米纤维结构的导电聚酰亚胺纳米纤维(PINF)/MXene复合气凝胶。

研究人员首先制备了横向尺寸600 nm，厚度仅6nm的高质量透明二维MXene纳米片。由于纳米片表面极性和亲水基团（-O、-OH、-F），研究人员选用去离子水作为分散介质，形成了稳定的胶体悬浮液。采用氧等离子体处理，提高了PINF 的亲水性，成功获得均相PINF/MXene 混合物。随后以水溶性聚酰胺酸(PAA)作为粘合剂，在气凝胶形成过程中将分散的PINF和MXene粘合在一起。在经过热亚胺化处理后，PAA 最终转化为PI，将PINFPINF 和PINF-MXene 连接，大大提升复合气凝胶的结构稳定性。微观形貌显示，纯PINF 气凝胶呈现各向同性的开孔结构，孔隙大小80～100μm。这些孔隙形成的原因主要是溶剂晶体成核，以及溶剂晶体和PINF 之间的相分离。对于PINF/MXene复合气凝胶，除了分层的开孔结构，溶剂晶体的增长和扩张使二维MXene纳米片呈现出取向性，导致了有序的分层结构，其中PINF 作为支柱连接相邻层，层间距约为100μm。每一层的层状结构主要由2D MXene纳米片和1D PINF组成，并通过热亚胺化的PAA强力焊接。

得益于PINF 和MXene 之间的多孔结构和牢固的结合，该复合气凝胶的密度低至9.98 mg·cm-3，可承受-50℃～250℃的恶劣温度，高达90%的应变，以及超过1000次循环的抗疲劳能力。用作压敏电阻传感器时，感应能力可达85.21kPa（对应90%的应变)，表现出超低的检测极限0.01kPa（对应0.5%的应变)，超过1000个周期抗疲劳特性以及极端环境下优秀的稳定性和再现性。此外，复合气凝胶的疏水性和多级孔状结构还具有良好的油水分离性能，吸附量高达55.85～135.29 g·g-1，可循环利用。该研究有望为人体运动/物理信号检测和高效的油水分离提供一种新型多功能平台。