激光诱导的石墨烯复合材料非常耐磨

文章来源：北科新材浏览次数：3760时间：2020-08-10 QQ学术交流群：1092348845

石墨烯具有独特的性能组合，是下一代电子产品的理想之选，包括机械柔韧性，高电导率和化学稳定性。新兴的可穿戴电子产品领域-带有无形集成的能量收集，能量存储，电子产品和传感器系统的“智能”织物-石墨烯从许多方面受益。石墨烯材料，无论是原始材料还是复合材料，都将导致更小的大容量，快速充电的超级电容器，完全灵活甚至可卷曲的电子产品和储能设备以及透明电池。

为了实现石墨烯的商业潜力，有必要为工业规模的石墨烯基器件的制造开发可靠，经济高效且简便的工艺。

一种可能的途径是喷墨印刷，已经在导电金属纳米粒子油墨中得到了广泛证明。尽管已经证明了液相石墨烯分散体，但研究人员仍在努力寻找能够有效，可靠地批量生产高质量石墨烯图案以用于实际应用的复杂喷墨打印技术。

加州大学圣地亚哥分校约瑟夫·王纳米生物电子实验室的团队提出了一种新颖的解决方案。他们在“ 先进材料技术”（“用于印刷，可拉伸和可穿戴电子设备的激光诱导石墨烯复合材料”）中报告了他们的发现，他们演示了使用一种简便，可扩展且低成本的激光感应方法合成高性能可拉伸石墨烯墨水的方法。石墨烯组分的合成。

作为概念验证，研究人员制造了可拉伸的微型超级电容器（S-MSC），展示了迄今为止报道的基于石墨烯的高度可拉伸MSC的最高电容。这也是将激光诱导的石墨烯以形式用于石墨烯基油墨的粉末制备，然后用于S-MSC的丝网印刷的第一个示例。

由激光诱导的石墨烯油墨制成的丝网印刷柔性超级电容器的处理步骤说明。（图片：圣地亚哥加州大学纳米生物电子学实验室）（点击图片放大）

早在2014年，莱斯大学的研究人员通过使用一种计算机控制的激光将一种廉价的聚合物燃烧，从而制作出了柔性的，图案化的多层石墨烯薄片，该技术被称为激光诱导石墨烯（LIG）。这种高产，低成本的石墨烯合成工艺可在室温下在空气中工作，并且无需热炉和受控环境，并且使石墨烯适合电子产品或能量存储。

“ LIG可以用几种聚合物质（例如Kapton聚酰亚胺和聚醚酰亚胺）以及各种可持续的生物质（包括木材，木质素，布，纸或热碳）制备，”该论文的第一作者Farshad Tehrani告诉Nanowerk。“另一方面，LIG由于其固有的丰富缺陷和表面官能团，在典型溶剂和粘合剂中的分散性大大提高。”

他指出，该团队的新颖方法在保持直写式LIG的独特优势的同时，在以下几个方面释放了LIG材料的未开发潜力：

机械拉伸性：在这项研究中，固有的脆性和机械脆弱性的LIG电极被转变为机械坚固，高度可拉伸的电极，这种新型墨水吸引了各种可穿戴电子设备。

增强的电化学性能：该团队的S-MSC的面电容已远远超过直写激光LIG的面电容，并且对于高度可拉伸的超级电容器而言，其面电容已达到最高。

定制的复合配方：使用LIG作为有吸引力的导电填料，基本油墨配方可与多种组合物兼容。

基材的多功能性：与直接激光书写（仅限于聚合物基材和几种生物质）不同，LIG墨水可以印刷在几乎任何可拉伸和不可拉伸的基材上，例如聚合物基材，织物或纺织品。

“在开发新型超级电容器的过程中，我们发现在生产过程中，聚合物粘合剂聚（3,4-乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）与聚氨酯（PU），PEDOT：PSS-PU和石墨烯片材之间具有特定的协同作用。出色的机电性能。”该论文的合著者Fernando Soto补充说。“我们意识到，当石墨烯片的两面都被导电/弹性的PEDOT：PSS / PU聚合物完全覆盖时，它会形成一种坚固的复合材料，可以承受拉伸过程中的严重剪切应力。”

他补充说：“不仅如此，它还可以保持其电化学性能的85％以上，例如其电荷存储电容特性，复合电导率和在高充放电循环中的电化学稳定性。”

透明胶带实验，显示了S-MSC的柔韧性和可拉伸性。（视频：圣地亚哥加州大学纳米生物电子学实验室）

在开发可穿戴电子设备时，研究人员需要处理一系列问题，其中设备的可拉伸性和机械性能与其电性能（如电导率，电荷存储性能以及通常的高电化学性能）同等重要。

该团队的工作不是关注这些具体问题中的一个，而是解决一系列挑战，包括高机械和电化学性能，同时将成本保持在最低的最低点，以实现现实的商业化方案。

Tehrani指出：“从设计到研究的实施阶段，重点一直放在高性能平台的可伸缩性，多功能性和成本效率上，这些高性能平台可能会在可穿戴电子领域使用纳米复合材料激发进一步的创新。”

该团队在可穿戴应用领域的下一阶段工作将是将这些高性能S-MSC与电池和能量收集系统（例如生物燃料电池，摩擦电和压电）集成在一起。

信息来源：Nanowerk

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石墨烯具有独特的性能组合，是下一代电子产品的理想之选，包括机械柔韧性，高电导率和化学稳定性。新兴的可穿戴电子产品领域-带有无形集成的能量收集，能量存储，电子产品和传感器系统的“智能”织物-石墨烯从许多方面受益。石墨烯材料，无论是原始材料还是复合材料，都将导致更小的大容量，快速充电的超级电容器，完全灵活甚至可卷曲的电子产品和储能设备以及透明电池。
为了实现石墨烯的商业潜力，有必要为工业规模的石墨烯基器件的制造开发可靠，经济高效且简便的工艺。
一种可能的途径是喷墨印刷，已经在导电金属纳米粒子油墨中得到了广泛证明。尽管已经证明了液相石墨烯分散体，但研究人员仍在努力寻找能够有效，可靠地批量生产高质量石墨烯图案以用于实际应用的复杂喷墨打印技术。
加州大学圣地亚哥分校约瑟夫·王纳米生物电子实验室的团队提出了一种新颖的解决方案。他们在“ 先进材料技术”（“用于印刷，可拉伸和可穿戴电子设备的激光诱导石墨烯复合材料”）中报告了他们的发现，他们演示了使用一种简便，可扩展且低成本的激光感应方法合成高性能可拉伸石墨烯墨水的方法。石墨烯组分的合成。
作为概念验证，研究人员制造了可拉伸的微型超级电容器（S-MSC），展示了迄今为止报道的基于石墨烯的高度可拉伸MSC的最高电容。这也是将激光诱导的石墨烯以形式用于石墨烯基油墨的粉末制备，然后用于S-MSC的丝网印刷的第一个示例。

由激光诱导的石墨烯油墨制成的丝网印刷柔性超级电容器的处理步骤说明。（图片：圣地亚哥加州大学纳米生物电子学实验室）（点击图片放大）
早在2014年，莱斯大学的研究人员通过使用一种计算机控制的激光将一种廉价的聚合物燃烧，从而制作出了柔性的，图案化的多层石墨烯薄片，该技术被称为激光诱导石墨烯（LIG）。这种高产，低成本的石墨烯合成工艺可在室温下在空气中工作，并且无需热炉和受控环境，并且使石墨烯适合电子产品或能量存储。
“ LIG可以用几种聚合物质（例如Kapton聚酰亚胺和聚醚酰亚胺）以及各种可持续的生物质（包括木材，木质素，布，纸或热碳）制备，”该论文的第一作者Farshad Tehrani告诉Nanowerk。“另一方面，LIG由于其固有的丰富缺陷和表面官能团，在典型溶剂和粘合剂中的分散性大大提高。”
他指出，该团队的新颖方法在保持直写式LIG的独特优势的同时，在以下几个方面释放了LIG材料的未开发潜力：
机械拉伸性：在这项研究中，固有的脆性和机械脆弱性的LIG电极被转变为机械坚固，高度可拉伸的电极，这种新型墨水吸引了各种可穿戴电子设备。增强的电化学性能：该团队的S-MSC的面电容已远远超过直写激光LIG的面电容，并且对于高度可拉伸的超级电容器而言，其面电容已达到最高。定制的复合配方：使用LIG作为有吸引力的导电填料，基本油墨配方可与多种组合物兼容。基材的多功能性：与直接激光书写（仅限于聚合物基材和几种生物质）不同，LIG墨水可以印刷在几乎任何可拉伸和不可拉伸的基材上，例如聚合物基材，织物或纺织品。
“在开发新型超级电容器的过程中，我们发现在生产过程中，聚合物粘合剂聚（3,4-乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）与聚氨酯（PU），PEDOT：PSS-PU和石墨烯片材之间具有特定的协同作用。出色的机电性能。”该论文的合著者Fernando Soto补充说。“我们意识到，当石墨烯片的两面都被导电/弹性的PEDOT：PSS / PU聚合物完全覆盖时，它会形成一种坚固的复合材料，可以承受拉伸过程中的严重剪切应力。”
他补充说：“不仅如此，它还可以保持其电化学性能的85％以上，例如其电荷存储电容特性，复合电导率和在高充放电循环中的电化学稳定性。”

透明胶带实验，显示了S-MSC的柔韧性和可拉伸性。（视频：圣地亚哥加州大学纳米生物电子学实验室）
在开发可穿戴电子设备时，研究人员需要处理一系列问题，其中设备的可拉伸性和机械性能与其电性能（如电导率，电荷存储性能以及通常的高电化学性能）同等重要。
该团队的工作不是关注这些具体问题中的一个，而是解决一系列挑战，包括高机械和电化学性能，同时将成本保持在最低的最低点，以实现现实的商业化方案。
Tehrani指出：“从设计到研究的实施阶段，重点一直放在高性能平台的可伸缩性，多功能性和成本效率上，这些高性能平台可能会在可穿戴电子领域使用纳米复合材料激发进一步的创新。”
该团队在可穿戴应用领域的下一阶段工作将是将这些高性能S-MSC与电池和能量收集系统（例如生物燃料电池，摩擦电和压电）集成在一起。信息来源：Nanowerk