CN115020120B - 一种复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶、制备方法及应用 - Google Patents

一种复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种复合型交错堆叠插层结构石墨烯‑铋烯气凝胶、制备方法及应用。本发明使铋烯薄片***到石墨烯片层中，实现了交错堆叠插层结构，其中，每单位厘米厚度上存在80～100个微小单元，且每个微小单元由堆叠的800～900层单层石墨烯与堆叠的80～100层单层铋烯交错构成。本发明的石墨烯‑铋烯气凝胶具有高弹性可压缩性能，在1.5～4.5kPa的应力范围内，具有0.326kPa‑1的高灵敏度；具有稳定的应变‑电响应和超灵敏的检测极限，有效检测低压；具有超级电容特性，在400W·Kg‑1时提供45.55Wh·Kg‑1的能量密度，即使在3600次充放电循环后，循环稳定性也达到89.24％。

Description

一种复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶、制备方法 及应用
技术领域
本发明涉及一种复合型交错堆叠插层结构石墨烯－铋烯气凝胶、其制备方法及在超级电容式压力传感器上的应用，属于电子材料器件领域。
背景技术
石墨烯气凝胶导电性好、强度高，在储能、吸能、传感等领域上备受关注，其制备方法包括水热法、冷冻铸造、3D(三维)打印、化学粘合和模板法，其中水热法和冷冻铸造最简便易行。铋在地球上的储量大，其丰度和银相当，应用广泛，具备较高的离子传导性能，是十分重要的光学材料、电子材料、超导材料等。电容式压力传感器具有响应速度快、成本低、灵敏度高、滞后小等优点。
现有中国专利“一种基于石墨烯的柔性电容式压力传感器及其制备方法”(公开号CN112781757A)，该传感器通过设置两个上下平行的石墨烯电极层，电极层内部由C-C键结合而成，密度为13.21mg·cm-3，两个石墨烯电极层之间设有多孔弹性体，在石墨烯电极层引出银浆导线形成***引线。该传感器的灵敏度为1.1kPa-1，压力结果误差大，应力敏感度低。
现有文献中，M.Ciszewski等人[Ionics 21,557-563(2014).]提到将水合草酸铋与氧化石墨烯的复合材料在马弗炉中通过热分解转化成氧化铋并还原氧化石墨烯，该复合材料在电流密度为0.2A·g-1时，比电容达到94F·g-1。使用循环伏安法，在0～1V的电位范围内，扫描速率为5mV·s-1时，比电容为55F·g-1。在经过3000次循环后，该材料表现出长期的循环稳定性，比电容保持在90％。然而，该复合材料并未实现铋与石墨烯的结合，而是将Bi2O3混合在氧化石墨烯中，没有充分体现铋在石墨烯气凝胶插层的优势与特点。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶，该复合型气凝胶是在石墨烯的层状结构之间***铋烯层，铋烯和石墨烯交错堆叠插层结构的协同作用实现了分层多孔气凝胶框架中离子/电子双传输通道的设计和构建。这种结构有助于电解质渗透，并确保层间的电子转移，有效地增加质量电容。此外，包覆在还原石墨烯上的导电铋纳米片可以作为构建额外电子传输通道的主干，并产生额外的电化学活性位点，提高层间导电性，从而确保层间电子传输。
本发明还同时提供了上述复合型石墨烯-铋烯交错堆叠插层结构气凝胶的制备方法及其在超级电容式压力传感器上的应用，包括复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯水凝胶的制备、复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶的制备及其在超级电容式压力传感器领域的应用。
优选的，上述复合型交错堆叠插层结构铋烯-石墨烯气凝胶的制备步骤具体如下：
1)铋烯的制备：取铋粉与(NH4)2S2O8在烧瓶中混合；然后，在上述混合溶液中加入浓H2SO4和H2O2，在室温下密封，然后用乙醇洗涤以去除残留的H2SO4；再在密闭环境中超声处理。最后，过滤混合物以除去未剥离的铋粉，从上清液中获得0.014～0.017g·mL-1铋烯。
2)复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯水凝胶的制备：首先，将氧化石墨烯放入去离子水和氨溶液的混合溶液中，超声处理。然后将石墨烯溶液与铋烯溶液混合。前体溶液被密封在10mL的聚四氟乙烯内衬的高压釜中，温度为120℃，保持12～14h。随后，水凝胶在CH3CH2OH/H2O(1:100,V:V)的混合物中透析，冷却至室温。制得复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯水凝胶。所述氨溶液为常用氨水，浓度25-28％。
3)复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶的制备：将步骤2)得到的水凝胶，在冰箱中做冷冻处理，然后置于冷冻干燥箱中冷冻干燥，得到复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶。
优选的，上述所述的超级电容式压力传感器的制备步骤具体如下：
1)首先将PVA粉末与浓H2SO4混合，然后加入去离子水，在水浴锅中进行搅拌并保持80～85℃加热使完全溶解，形成凝胶电解质。
2)将复合型石墨烯-铋烯交错堆叠插层结构气凝胶通过导电银浆固定在钛电极上，干燥得到复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶电极即石墨烯-铋烯气凝胶/Ti电极。将作为负极和正极的两片石墨烯-铋烯气凝胶/Ti电极分别浸泡在所制的凝胶电解质中。在两个电极之间夹一个大小为0.7～1.0cm2的聚丙烯隔膜纸，实现对称的全固态超级电容器即超级电容式压力传感器。
本发明所述压力传感器在1.5～4.5kPa的应力范围内，传感器的灵敏度为0.326kPa-1，且可提供对外部压力变化的快速电流响应；经循环压1000次后，电容相对变化仍保留原始值的87％，具有高的应力稳定性，且能感知应变和压力的微小变化。
本发明的原理为：
制备铋烯时：采用将铋粉与(NH4)2S2O8在烧瓶中混合，得到均匀的分散液；然后，在上述混合溶液中加入浓H2SO4和H2O2，利用其强氧化性将铋粉剥离，在密闭环境中封存，然后用乙醇洗涤去除残留的H2SO4，将所得粉末与去离子水混合，在密封环境中超声使其充分混合。最后，过滤混合物以除去未剥离的铋粉，从上清液中获得铋烯。铋烯主要由金属元素铋组成，铋烯***石墨烯层间结构，能够有效的增强石墨烯片之间的相互作用，形成电子/离子双传输通道，有利于电解质的渗透，减缓层间电导率的下降，确保层间电子的传输，并提供了更高的可接近表面积，该特性有助于电解质离子快速渗透并进入电极材料的内表面。
制备复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯水凝胶时：首先，将氧化石墨烯放入去离子水和氨溶液的混合溶液中，超声分散，促进固液反应。再将前驱体溶液分散，与氧化石墨烯溶液、再生铋烯溶液和去离子水混合，使得分散相粒子尺寸减小，相间界面增加，粒子分散均匀；取前驱体溶液在聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中加热反应后待冷却至室温，得到水凝胶，随后，将水凝胶在CH3CH2OH/H2O(1:100，V:V)的混合物中透析，以去除杂质，制得复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯水凝胶。采用水热法制备水凝胶时，在石墨烯的层状结构之间***铋烯层，通过对凝胶的电子显微镜图像进行观察与密度测算，实现了如图1所示的每单位厘米厚度上存在80～100个微小单元，每个微小单元由800～900层单层石墨烯和80～100层铋烯层构成，铋烯层与石墨烯层间由强氢键和C-Bi键结合而成，铋烯和石墨烯的协同作用实现在交错堆叠插层结构气凝胶框架中离子/电子双传输通道的设计和构建。铋化石墨烯框架展示了不同尺寸的交联层次结构，从数百纳米到几微米不等，这种结构有助于电解质渗透，并确保层间的电子转移，有效地增加质量电容。此外，包覆在还原石墨烯上的导电铋纳米片可以作为构建额外电子传输通道的主干，并产生额外的电化学活性位点，提高层间导电性，从而确保层间电子传输。也可以作为纳米锚来增强多层石墨烯薄片之间的粘结强度，从而增强凝胶的力学性能；同时，在石墨烯片层之间构建额外的电子传输通道，确保层间电子传输，从而缓解由于***层间间隔而导致的层间电导率下降，同时，该结构可用作赝电容活性材料的铋烯材料可提供额外的氧化还原位点。
制备复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶时，将得到的复合型交错堆叠插层结构石墨烯水凝胶，在乙醇和水的混合溶液中透析，分离纯化去除凝胶漂浮，再置冰箱冷冻，保护水凝胶载体和胶粒结构，再冷冻干燥，去除复合型石墨烯水凝胶的水分，使石墨烯片撑开，形成多孔网状结构，如图2所示，制得复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶；
本发明的复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶是以二维石墨烯作为构筑单元形成三维纳米材料，具有高电导率、大的比表面积、超低密度和高孔隙率等特点，这种复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶具有更高的比电容，可用来修饰电极，构建了超级电容式压力传感器。这种复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶制备的压力传感器相较未添铋烯的石墨烯气凝胶制备的压力传感器，其电容、电阻相对变化更大，灵敏度更高。这种超级电容器的优越性能是由于堆叠的铋烯层-堆叠的石墨烯层所形成的交错插层结构的协同效应，每单位厘米厚度上存在80～100个微小单元，每个微小单元由800～900层单层石墨烯和80～100层铋烯层构成；如图4所示，其反卷积的C1s峰显示了284.1、284.71、285.69、286.1和288.42eV的峰值结合能，分别对应于C-Bi、C-C、C-O、C-N、C＝O键；其中铋烯层与石墨烯层间由强氢键和C-Bi键结合而成，铋烯和石墨烯的协同作用实现了在交错插层结构的气凝胶框架中离子/电子双传输通道的设计和构建。这些结构具有丰富的电化学活性中心、高导电性、低界面电阻和快速的离子/电子传输，有助于电解质渗透，并确保层间的电子转移，有效地增加质量电容。
本发明的有益效果是：
1)与现有技术相比，该气凝胶通过在石墨烯层状结构之间***铋烯，铋化石墨烯框架展示了不同尺寸的交联层次结构，从数百纳米到几微米不等。层状孔隙不仅为电解质中的离子或离子基团提供传输通道，而且有助于揭示活性中心，提高双层电容，从而改善电化学和压力传感器性能；其密度为10～15mg·cm-3，结构由元素C、O、N、Bi组成，其原子个数比范围分别为78.7％～80％，14％～15％，5％～6％，0.2％～0.3％。
2)本发明的石墨烯-铋烯气凝胶不会因过于活泼的电化学活性而发生化学反应变质；制备的对称超级电容器电池在400W·Kg-1时的能量密度为45.55Wh·Kg-1，在3600次充放电循环后的循环稳定性为89.24％。制作的离子/电子电容传感器具有0.326kPa-1的出色灵敏度，并且在1000次压力荷载循环期间具有令人满意的耐久性。
3)此外，基于该复合型交错堆叠插层结构石墨烯气凝胶的超级电容式压力传感器，在1.5～4.5kPa的应力范围内，具有0.326kPa-1的高灵敏度，拟合度为0.99；经循环压1000次后，电容相对变化仍保留原始值的87％，具有高的应力稳定性；能感知应变(0.012％)和压力(0.25Pa)的微小变化，有效检测低压；可提供对外部压力变化的快速电流响应；具有超级电容特性，可提供高的电容响应，有良好的电化学储能。
附图说明
图1为本发明超级电容式压力传感器的结构示意图，其中1为钛箔，2为银胶，3为石墨烯和铋烯形成的微小单元，N1的大小为80～100个，右侧为单个微小单元放大图，其中4为石墨烯层，单个微小单元约含有N2层，N2大小为800-900，5为铋烯层，单个微小单元约含有N3层，N3大小为80～100；
图2为本发明复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶制备示意图以及局部微观放大图；
图3为本发明气凝胶的SEM图，其中(a-c)为氧化还原石墨烯的不同放大比例的SEM图，图(d-f)为复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶的不同放大比例的SEM图。
图4为本发明实施例2样品C元素的XPS分析图，其反卷积的C1s峰显示了284.1、284.71、285.69、286.1和288.42eV的峰值结合能，分别对应于C-Bi、C-C、C-O、C-N、C＝O键；
图5为本发明实施例3样品电极在不同密度下的GCD(恒流充放电)行为，电流密度从0.64A·g-1到3A·g-1；
图6为本发明实施例4样品在不同压力应变下的相对电容变化，应力变化范围为0.5kPa到4.5kPa；
图7为本发明实施例5样品在3600次充放电循环后，超级电容器的电化学循环稳定性图。
图8为本发明实施例6样品在1kPa力且循环压14k次下的电容相对变化；其中左侧和右侧的插图表示从测试开始和结束时的一些选定循环的放大视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
一种复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)铋烯的制备：取100mg铋粉与0.50g(NH4)2S2O8在烧瓶中混合；然后，在上述混合溶液中加入5mL浓H2SO4和1.2mL H2O2，在室温下密封12小时，然后用乙醇洗涤5次以去除残留的H2SO4；将20mg所得干粉和1mL去离子水在密封环境中超声6小时。最后，过滤混合物以除去未剥离的铋粉，从上清液中获得浓度为0.014～0.017g·mL-1的铋烯溶液。
2)复合型交错堆叠插层结构水凝胶的制备：首先，将100mg氧化石墨烯放入20mL去离子水和0.8mL氨溶液的混合溶液中，超声分散60分钟。然后将5mL还原氧化石墨烯溶液与0.2mL铋烯溶液混合制备混合溶液。前体溶液被密封在10mL的内衬聚四氟乙烯的高压釜中，温度为120℃，保持12h。随后，水凝胶在CH3CH2OH/H2O(1:100,V:V)的混合物中透析6小时，冷却至室温。制得复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯水凝胶。
3)复合型石墨烯-铋烯交错堆叠插层结构气凝胶的制备：将步骤2)得到的水凝胶，在冰箱中冷冻12h后得到气凝胶，命名BiGA1。
作为对比，当步骤2)中不添加铋烯溶液，其他步骤不变，制得石墨烯气凝胶，命名NGA。
在本实施例中，如图3所示，测得BiGA1样品的SEM框架表面褶皱度和多孔度对比NGA增加，NGA的SEM图中，发现其表面较平滑，多孔度小，BiGA1样品的密度为11.1mg·cm-3，对比NGA体积增大。BiGA1样品中石墨烯片层之间的堆叠明显减少，其内部含杂化结构，该结构由元素C、O、N、Bi组成，其原子个数比范围分别为79.8％，15％，6％，0.2％。经测得在第一次压缩至50％应变时，该样品仅需11.5kPa力，而NGA样品需要125kPa力，说明添加铋烯的BiGA1样品更软，利于提高灵敏度。
实施例2
一种复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)铋烯的制备：取90mg铋粉与0.40g(NH4)2S2O8在烧瓶中混合；然后，在上述混合溶液中加入4mL浓H2SO4和1mL H2O2，在室温下密封10小时，然后用乙醇洗涤4次以去除残留的H2SO4；将18mg所得干粉和1mL去离子水在密封环境中超声6小时。最后，过滤混合物以除去未剥离的铋粉，从上清液中获得铋烯。
2)复合型交错堆叠插层结构水凝胶的制备：首先，将80mg氧化石墨烯放入15mL去离子水和0.5mL氨溶液的混合溶液中，超声分散50分钟。然后将5mL还原氧化石墨烯溶液与0.4mL铋烯溶液混合制备混合溶液。前体溶液被密封在10mL的内衬聚四氟乙烯的高压釜中，温度为120℃，保持12h。随后，水凝胶在CH3CH2OH/H2O(1:100,V:V)的混合物中透析5～6小时，冷却至室温。制得复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯水凝胶。
3)复合型石墨烯-铋烯交错堆叠插层结构气凝胶的制备：将步骤2)得到的水凝胶，在冰箱中冷冻12h后得到气凝胶，命名BiGA2。
实施例3
一种复合型石墨烯-铋烯交错堆叠插层结构气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)铋烯的制备：取90mg铋粉与0.40g(NH4)2S2O8在烧瓶中混合；然后，在上述混合溶液中加入4mL浓H2SO4和1mL H2O2，在室温下密封10小时，然后用乙醇洗涤4次以去除残留的H2SO4；将18mg所得干粉和1mL去离子水在密封环境中超声6小时。最后，过滤混合物以除去未剥离的铋粉，从上清液中获得铋烯。
2)复合型交错堆叠插层结构水凝胶的制备：首先，将80mg氧化石墨烯放入15mL去离子水和0.5mL氨溶液的混合溶液中，超声分散50分钟。然后将5mL还原氧化石墨烯溶液与0.8mL铋烯溶液混合制备混合溶液。前体溶液被密封在10mL的内衬聚四氟乙烯的高压釜中，温度为120℃，保持12h。随后，水凝胶在CH3CH2OH/H2O(1:100,V:V)的混合物中透析5～6小时，冷却至室温。制得复合型石墨烯-铋烯水凝胶。
3)复合型石墨烯-铋烯交错堆叠插层结构气凝胶的制备：将步骤2)得到的水凝胶，在冰箱中冷冻12h后得到气凝胶，命名BiGA3。
在本实施例中，测得BiGA3样品的SEM框架有少量复杂的褶皱状网络相互连接，相较NGA表面褶皱度和多孔度增加，密度为14.1mg·cm-3，对比NGA体积增大。经测得在电流密度0.67A·g-1时，BiGA3样品电极的质量比电容为400.83F·g-1，相比NGA样品电极的质量比电容275F·g-1，大幅度提升，这表明石墨烯-铋烯框架可以为离子提供良好的环境，并提供高比电容和优异的速率性能。如图5所示，观察BiGA3样品在高工作电流密度下的GCD行为，电流密度从0.64A·g-1到3A·g-1，曲线仍呈三角对称形，表明了BiGA3样品电极在高倍率充放电模式下的工作潜力。
实施例4
一种超级电容式压力传感器的制备
1)凝胶电解质的制备：在30mL去离子水中加入3g PVA和1.5g浓H2SO4，在80℃下完全溶解60min，形成凝胶电解质。
2)复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶上侧和下侧电极的制备：将复合型石墨烯-铋烯交错堆叠插层结构气凝胶通过导电银浆固定在钛电极上，干燥得到复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶电极即石墨烯-铋烯气凝胶/Ti电极。将作为负极和正极的两片石墨烯-铋烯气凝胶/Ti电极分别浸泡在所制的凝胶电解质中60min。在两个电极之间夹一个大小为0.7～1.0cm2的聚丙烯隔膜纸，实现对称的全固态超级电容器即超级电容式压力传感器。
在本实施例中，是基于BiGA3样品制备的压力传感器，该传感器为三明治结构，其上、下层均为钛电极，中间层为注入凝胶电解质的复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶，如图6所示，显示了在压力范围为0～1.5kPa时，其应力敏感度为0.052kPa-1，在1.5～4.5kPa范围内，其灵敏度为0.326kPa-1，而基于NGA的传感器，显示了压力范围为0～2.5kPa时，其灵敏度为0.024kPa-1，在2.5～4.5kPa的压力范围内，其线性灵敏度为0.282kPa-1，数据对比发现，该传感器相较未添加铋烯的NGA样品制备的压力传感器，应力敏感度增加，性能提高。
实施例5
一种超级电容式压力传感器的制备
1)凝胶电解质的制备：在30mL去离子水中加入3g PVA和1.5g浓H2SO4，在80℃下完全溶解60min，形成凝胶电解质。
2)复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶上侧和下侧电极的制备：将作为负极和正极的两片石墨烯-铋烯气凝胶/Ti电极分别浸泡在所制的凝胶电解质中60min。在两个电极之间夹一个大小为1.0cm2的聚丙烯隔膜纸，实现对称的全固态超级电容器。
在本实施例中，是基于BiGA3样品制备的压力传感器，该传感器为三明治结构，其上、下层均为电极，中间层为注入凝胶电解质的复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶，如图7所示，显示了在3600次充放电循环后表现出89.24％的显著容量保持率。
实施例6
一种超级电容式压力传感器的制备
1)凝胶电解质的制备：在30mL去离子水中加入3g PVA和1.5g浓H2SO4，在80℃下完全溶解60min，形成凝胶电解质。
2)复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶上侧和下侧电极的制备：将作为负极和正极的两片石墨烯-铋烯气凝胶/Ti电极分别浸泡在权所制的凝胶电解质中60min。在两个电极之间夹一个大小为1.0cm2的聚丙烯隔膜纸，实现对称的全固态超级电容器。
在本实施例中，是基于BiGA3样品制备的压力传感器，如图8所示，该传感器经循环压1000次后，电容相对变化仍保留原始值的87％，具有高的应力稳定性；该传感器为三明治结构，其上、下层均为电极，中间层为注入凝胶电解质的复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶，其应力敏感度为0.73kPa-1，拟合度为0.99；基于NGA样品制备的压力传感器，其应力敏感度为0.04kPa-1，拟合度为0.96；基于BiGA1样品制备的压力传感器，其应力敏感度为0.10kPa-1，拟合度为0.99；基于BiGA2样品制备的压力传感器，其应力敏感度为0.15kPa-1，拟合度为0.99。
表1
数据对比发现，基于BiGA3样品制备的压力传感器相较NGA、BiGA1、BiGA2来说，BiGA3灵敏度最佳，拟合度最高，其弹性可压缩性能最好，能感知应变和压力的微小变化，可提供对外部压力变化的快速电流响应，在电化学储能、超级电容特性、周期稳定性方面表现出极大优势，性能最优异。
综上实施例所述，对比基于BiGA1、BiGA2、BiGA3样品制备的压力传感器，可发现，基于BiGA3样品的压力传感器，其应力敏感度最佳，性能最优异。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶，在石墨烯的层状结构之间***铋烯层，形成交错堆叠插层结构，每单位厘米厚度上具有80～100个微小单元，每个微小单元由800～900层堆叠的单层石墨烯和堆叠的80～100层单层铋烯层构成。
2.如权利要求1所述的复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶，其特征在于，所述铋烯层与石墨烯层之间由强氢键和C-Bi键结合而成，该气凝胶的密度为10～15mg·cm-3，在交错堆叠插层结构气凝胶框架中具有离子和电子双传输通道的构建，该结构由元素C、O、N、Bi组成，其原子个数比范围分别为78.7％～80％，14％～15％，5％～6％，0.2％～0.3％。
3.一种复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)铋烯的制备：取铋粉与(NH4)2S2O8在烧瓶中混合；加入浓H2SO4和H2O2，密封反应，乙醇洗涤去除残留的H2SO4；将所得粉末中加入去离子水，超声处理；过滤除去未剥离的铋粉，从上清液中获得浓度为0.014～0.017g·mL-1铋烯溶液；
2)复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯水凝胶的制备：
首先，将氧化石墨烯粉末放入去离子水和氨溶液的混合液中，超声分散得到浓度为0.004～0.008g·mL-1的还原氧化石墨烯溶液；
然后，将上述还原氧化石墨烯溶液与1)中所制铋烯溶液以体积比(3～5)：(0.2～1.2)比例混合制备前体溶液；前体溶液被密封在聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在100～120℃的温度下保持10～14h，得到交错堆叠插层结构的水凝胶；
随后，将交错堆叠插层结构的水凝胶在V:V＝1:100的CH3CH2OH/H2O的混合物中透析3～6h，冷却至室温，制得复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯水凝胶；
3)复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶的制备：将步骤2)得到的水凝胶，在冷冻干燥箱中保持-18～-20℃冷冻干燥10～12h后，得到气凝胶。
4.一种权利要求1或2所述的或者由权利要求3制备方法得到的复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶，其特征在于，在电流密度0.6-1.0A·g-1，质量比电容为360-420F·g-1。
5.权利要求4所述的复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶在超级电容式压力传感器中的应用，其特征在于，所述超级电容式压力传感器具有三明治结构，其上、下层均为电极，中间层为复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶，所述复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶内填充有凝胶电解质。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述超级电容型压力传感器采用以下步骤的方法制备：
1)首先在去离子水中加入PVA和浓H2SO4，在80～85℃下完全溶解，形成凝胶电解质；
2)将复合型石墨烯-铋烯交错堆叠插层结构气凝胶通过导电银浆固定在钛电极上，干燥得到复合型交错堆叠插层结构石墨烯-铋烯气凝胶电极即石墨烯-铋烯气凝胶/电极；将作为负极和正极的两片石墨烯-铋烯气凝胶/电极分别浸泡在1)中所制的凝胶电解质中50～60min；在两个电极之间夹一个大小为0.7～1.0cm2的聚丙烯隔膜纸，实现对称的全固态超级电容器。
7.如权利要求5-6任一项所述的应用，其特征在于，所述的压力传感器在1.5～4.5kPa的应力范围内，具有0.326kPa-1的灵敏度，并且在1000次压力荷载循环后，电容相对变化仍能分别保留为原始值的87％；在400W·Kg-1时提供45.55Wh·Kg-1的能量密度，在3600次充放电循环后，循环稳定性达到89.24％。
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