清华大学Adv. Mater.：受生物矿化过程启发快速制备可再造型、自修复的多功能石墨烯复合材料

【引言】

石墨烯是一种典型的二维材料，而且具有优异的力学、电学、热学和光学等性能。石墨烯的快速、高效制备及宏观组装是实现其规模应用的先决条件。目前石墨烯宏观组装体的常规制备方法需要较为严苛的反应条件，并且在制备成型后难以再被重塑或回收利用。因而，在需要复杂形状石墨烯结构与器件的应用场合，可反复塑性和自修复性能的石墨烯宏观材料显得尤为重要。

【成果简介】

近日，清华大学朱宏伟教授课题组与东京工业大学Takeshi Serizawa教授合作，发展了一种快速合成多功能石墨烯宏观复合材料的方法，将氧化石墨烯加入仿生矿化凝胶体系中，形成氧化石墨烯、无定形碳酸钙纳米粒子、聚丙烯酸交联网络结构，该石墨烯复合材料的软硬状态可以通过水分含量进行调控。研究还发现该材料具有优异的重塑性和自愈合能力，有望用于石墨烯材料的多尺度快速加工与成形。近日，该成果以题为" Synthetic Multifunctional Graphene Composites with Reshaping and Self-Healing Features via a Facile Biomineralization-Inspired Process"发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 石墨烯复合材料的制备示意图

(a) GO-PAA-ACC复合材料的制备过程示意图；

(b) GO-PAA-ACC复合材料的制备过程的照片；

(c) 球形GO-PAA-ACC复合材料样品的照片和SEM图片；

(d) GO-PAA-ACC复合材料的合成示意图。

图2 GO-PAA-ACC复合材料的流变性能

(a) GO-PAA-ACC和PAA-ACC复合材料的储能模量和损耗模量；

(b) GO-PAA-ACC和PAA-ACC复合材料的粘度与剪切速率的函数关系图；

(c) GO-PAA-ACC复合材料的触变环测试；

(d) GO-PAA-ACC复合材料的的储能模量和损耗模量与温度的关系图。

图3 GO-PAA-ACC复合材料的可逆性测试

(a) 负重200克前后干燥的GO-PAA-ACC样品照片；

(b) 在水中浸泡后GO-PAA-ACC样品重塑到原始状态；

(c) 负重200克前后干燥重塑的GO-PAA-ACC样品照片；

(d) GO-PAA-ACC样品在干燥状态和潮湿态下的压缩应力-应变曲线；

(e-g) GO-PAA-ACC在纤维、薄膜和块体状态下的自修复测试；

(h) GO-PAA-ACC复合材料的自修复示意图。

图4 GO-PAA-ACC复合材料的四种塑形

(a) GO-PAA-ACC复合材料在固定模具中成型；

(b) GO-PAA-ACC复合材料在多维尺度的自由成型；

(c) GO-PAA-ACC复合材料连续成型；

(d) GO-PAA-ACC复合材料的3D打印成型；

(e-g) GO-PAA-ACC复合材料预先设计的‘面条’、“花”和“绳子”的复杂成型结构。

图5 GO-PAA-ACC复合材料的应用实例

(a) GO-PAA-ACC泡沫（左）和rGO-PAA-ACC泡沫（右）；

(b) 不同扫描速率条件下rGO-PAA-ACC泡沫的CV曲线；

(c) 不同电流密度条件下rGO-PAA-ACC泡沫的恒电流充电/放电曲线；

(d) rGO-PAA-ACC泡沫的SEM图片；

(e) rGO-PAA-ACC泡沫的奈奎斯特曲线(Nyquist plot)；

(f) rGO-PAA-ACC泡沫在1000个CV循环过程的电容保持；

(g) 磁场驱动的磁性GO-PAA-ACC片收缩过程的照片；

(h) 磁性GO-PAA-ACC片贴附的校车模型；

(i) 磁性驱动下的校车模型的运动照片。

【小结】

本文报道了室温下快速合成多功能石墨烯宏观复合材料的方法，该复合材料在湿润状态和干燥条件下分别具有可拉伸性和高强度，并且实现了通过水分控制两种状态的可逆转变。此外，该复合材料具有优异的重塑性和自愈合能力，可以满足在促动器、传感器等多种特定应用的需求。该方法具有简便、高效、低成本等特点，还能够可推广至其它材料的宏观组装。

文献链接：Synthetic Multifunctional Graphene Composites with Reshaping and Self-Healing Features via a Facile Biomineralization-Inspired Process (Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201803004)

本文由材料人高分子和生物学术组Gaxy供稿，材料牛审核整理。

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