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改善石墨烯薄膜的韧性

文章来源:北科新材 浏览次数:23时间:2020-08-10 QQ学术交流群:1092348845

具有高韧性,强度和导电性的石墨烯薄膜作为轻质结构材料,在飞机,汽车车身,风车叶片和运动器材等各种用途中具有许多有希望的应用。作为越来越受欢迎的可穿戴电子设备的柔性导电材料;作为电磁干扰屏蔽材料,可消除各种电子设备的电磁污染。
在之前的Nanowerk聚光灯中我们将超强石墨烯薄膜“缝合”在一起),我们报道了一种仅需少量交联剂即可将还原的氧化石墨烯(rGO)纳米片“缝合”到超强且高导电性的石墨烯薄膜的策略。
在他们之前的工作基础上,由北京航空航天大学的郑群峰教授领导的研究小组现已开发出黑磷(BP)功能化的石墨烯薄膜,从而获得了创纪录的韧性。
Cheng告诉Nanowerk:“在BP和氧化石墨烯(GO)纳米片之间形成共价键POC,不仅减少了GO膜的空隙,而且提高了GO纳米片的排列度,从而实现了GO膜的高致密性。” “经过共轭AD分子的进一步化学还原和π-π堆叠相互作用后,还原的氧化石墨烯(rGO)纳米片的取向度进一步提高,层状石墨烯薄膜中的空隙也进一步减少。该石墨烯薄膜的韧性达到高达〜51.8 MJ m -3 –迄今为止的最高记录。”
研究团队指出,所得的具有高拉伸强度和优异导电性的超韧黑磷功能化石墨烯薄膜也具有较高的环境稳定性和电磁屏蔽性能。
Cheng指出:“我们的新颖策略可以为将来将低价石墨粉末转变为高性能石墨烯基薄膜以用于各种商业用途提供灵感。” “这些薄膜可以找到许多应用,例如用于航空航天的各种商业应用的结构材料,或用于电磁干扰屏蔽,柔性能量存储和便携式电子产品的其他功能材料。”
该小组在ACS Applied Materials&Interfaces中发表了他们的发现“通过π-π交联的健壮生物启发石墨烯薄膜”)。
rGO-BP-AD膜的制造工艺
通过搅拌,真空过滤,化学还原和通过π-π堆积相互作用与长链AD分子化学交联的rGO-BP-AD膜的制造过程插图。(经美国国家科学院许可转载)(点击图片放大)
研究人员已经意识到,石墨烯薄膜总是含有空隙,这会大大降低负载转移效率并导致较低的机械性能。
为了解决这个问题,该团队的策略-通过POC共价键将BP纳米片通过GO纳米片功能化-成功地减少了层状石墨烯薄膜中的空隙并使石墨烯薄膜更加致密,同时提高了石墨烯的取向度去纳米片。
“我们的策略为将石墨烯纳米片组装成超韧,坚固和导电的石墨烯基薄膜开辟了道路,” Cheng说。“此外,我们的强化和增韧机制还可以为使用共价键合将石墨烯纳米片和其他小纳米片组装成高韧性石墨烯基薄膜提供途径,以减少空隙并提高取向度。”
该团队的工作建立在前两篇论文的基础上。一个人发现黑磷在空气中容易被氧化,但是可以通过用聚合物涂覆来改善BP的稳定性(材料化学杂志A“一种空气稳定的黑磷增强PVA纳米复合材料的新策略”)。另一个证明长链共轭分子容易与石墨烯形成π-π堆积,从而产生高韧性的石墨烯薄膜(ACS应用材料与界面“通过π-π交联的坚固生物启发性石墨烯薄膜”)。
“事实上,我们不知道在混合黑磷和氧化石墨烯纳米片之前会发生什么。” Cheng说道。“我让我的两个博士生周天柱和倪虹尝试一些实验。例如,将GO和BP纳米片通过连续搅拌过夜混合在一起会发生什么?”
这些实验之一产生了混合GO-BP纳米片,这是这项工作的基础。原子力显微镜(AFM)显示,GO纳米片的表面上有许多单层的BP纳米片。混合溶液中的BP和GO单层纳米片在环境温度下完全反应,这通过zeta电位进行了验证。研究人员通过真空辅助过滤组装了GO-BP膜,然后通过氢碘酸将其化学还原成rGO-BP膜。
对这些新型薄膜的机械性能的测量证实了研究人员的假设:rGO-BP薄膜(15.6 MJ m -3的韧性是rGO薄膜(2.5 MJ m -3)的6倍添加AD分子的π-π堆叠后,rGO-BP-AD薄膜(51.8 MJ m -3)比rGO薄膜提高了21倍。
“我们展示的石墨烯-黑磷薄膜的性能仍然低于单层石墨烯纳米片的性能,因此我们需要制定新的策略来进一步提高许多领域的大尺寸石墨烯薄膜的韧性,拉伸强度和导电性实际应用。” “此外,尽管我们的石墨烯薄膜在室温下显示出高韧性,但许多实际应用仍将在极端环境中进行,例如具有强烈辐射的外部空间以及高温和低温的频繁变化。”
信息来源:Nanowerk


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