清華大學Adv. Mater.：受生物礦化過程啟發快速制備可再造型、自修復的多功能石墨烯復合材料

【引言】

石墨烯是一種典型的二維材料，而且具有優異的力學、電學、熱學和光學等性能。石墨烯的快速、高效制備及宏觀組裝是實現其規模應用的先決條件。目前石墨烯宏觀組裝體的常規制備方法需要較為嚴苛的反應條件，并且在制備成型后難以再被重塑或回收利用。因而，在需要復雜形狀石墨烯結構與器件的應用場合，可反復塑性和自修復性能的石墨烯宏觀材料顯得尤為重要。

【成果簡介】

近日，清華大學朱宏偉教授課題組與東京工業大學Takeshi Serizawa教授合作，發展了一種快速合成多功能石墨烯宏觀復合材料的方法，將氧化石墨烯加入仿生礦化凝膠體系中，形成氧化石墨烯、無定形碳酸鈣納米粒子、聚丙烯酸交聯網絡結構，該石墨烯復合材料的軟硬狀態可以通過水分含量進行調控。研究還發現該材料具有優異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與成形。近日，該成果以題為" Synthetic Multifunctional Graphene Composites with Reshaping and Self-Healing Features via a Facile Biomineralization-Inspired Process"發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 石墨烯復合材料的制備示意圖

(a) GO-PAA-ACC復合材料的制備過程示意圖；

(b) GO-PAA-ACC復合材料的制備過程的照片；

(c) 球形GO-PAA-ACC復合材料樣品的照片和SEM圖片；

(d) GO-PAA-ACC復合材料的合成示意圖。

圖2 GO-PAA-ACC復合材料的流變性能

(a) GO-PAA-ACC和PAA-ACC復合材料的儲能模量和損耗模量；

(b) GO-PAA-ACC和PAA-ACC復合材料的粘度與剪切速率的函數關系圖；

(c) GO-PAA-ACC復合材料的觸變環測試；

(d) GO-PAA-ACC復合材料的的儲能模量和損耗模量與溫度的關系圖。

圖3 GO-PAA-ACC復合材料的可逆性測試

(a) 負重200克前后干燥的GO-PAA-ACC樣品照片；

(b) 在水中浸泡后GO-PAA-ACC樣品重塑到原始狀態；

(c) 負重200克前后干燥重塑的GO-PAA-ACC樣品照片；

(d) GO-PAA-ACC樣品在干燥狀態和潮濕態下的壓縮應力-應變曲線；

(e-g) GO-PAA-ACC在纖維、薄膜和塊體狀態下的自修復測試；

(h) GO-PAA-ACC復合材料的自修復示意圖。

圖4 GO-PAA-ACC復合材料的四種塑形

(a) GO-PAA-ACC復合材料在固定模具中成型；

(b) GO-PAA-ACC復合材料在多維尺度的自由成型；

(c) GO-PAA-ACC復合材料連續成型；

(d) GO-PAA-ACC復合材料的3D打印成型；

(e-g) GO-PAA-ACC復合材料預先設計的‘面條’、“花”和“繩子”的復雜成型結構。

圖5 GO-PAA-ACC復合材料的應用實例

(a) GO-PAA-ACC泡沫（左）和rGO-PAA-ACC泡沫（右）；

(b) 不同掃描速率條件下rGO-PAA-ACC泡沫的CV曲線；

(c) 不同電流密度條件下rGO-PAA-ACC泡沫的恒電流充電/放電曲線；

(d) rGO-PAA-ACC泡沫的SEM圖片；

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

(f) rGO-PAA-ACC泡沫在1000個CV循環過程的電容保持；

(g) 磁場驅動的磁性GO-PAA-ACC片收縮過程的照片；

(h) 磁性GO-PAA-ACC片貼附的校車模型；

(i) 磁性驅動下的校車模型的運動照片。

【小結】

本文報道了室溫下快速合成多功能石墨烯宏觀復合材料的方法，該復合材料在濕潤狀態和干燥條件下分別具有可拉伸性和高強度，并且實現了通過水分控制兩種狀態的可逆轉變。此外，該復合材料具有優異的重塑性和自愈合能力，可以滿足在促動器、傳感器等多種特定應用的需求。該方法具有簡便、高效、低成本等特點，還能夠可推廣至其它材料的宏觀組裝。

文獻鏈接：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學術組Gaxy供稿，材料牛審核整理。

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