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    ACS AMI | 通過π-π作用交聯的超高強度碳納米管/石墨烯復合紙

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    • 時間:2020-10-27 15:08:00

      石墨烯是碳原子以sp2雜化軌道構筑的六角蜂巢型晶格平面二維碳納米材料,這種穩定的晶體結構賦予其優異的力學、熱學、光學、電學性能以及獨特量子特性,可廣泛應用于高性能復合材料、催化劑、能量管理、電磁防護以及低維器件等技術領域。為充分利用其優異力學和傳導性能,人們研發了宏觀紙(或膜),并探索其在航空航天材料、柔性電子器件、功能材料與結構等領域應用,研發諸如超級電容器、納米發電機、水處理膜、鋰離子電池元件、多功能傳感器和電磁波屏蔽材料等。盡管標準二維石墨烯單元結構的力學強度很高,但是其面積很小,且通常不具備自支撐能力,無法滿足應用產品甚至表征評價的基本要求。為此,尋求石墨烯的高效交聯技術成為獲得高性能石墨烯膜材料的關鍵所在。

      通過向石墨烯及其復合結構中引入物理化學相互作用,如共價鍵、離子鍵、氫鍵等,可以實現對二維石墨烯界面相互作用力的調節,從而對其力學性能進行增強。其中,利用π-π相互作用對二維石墨烯材料進行增強改進其力學性能的同時,提高其電導和導熱性能;但這種太強的單一交聯作用往往影響石墨烯基材料的柔韌性?;诙喑叨?pi;-π相互作用的調控方法則少有研究。

      近日,西南交通大學材料先進技術教育部重點實驗室周祚萬教授、孟凡彬副教授課題組提出基于多尺度π-π交聯的石墨烯基紙增強新機制,獲得了一種高強度、高韌性、高傳導性石墨烯紙,其抗拉強度625.2 MPa、韌性28.5 MJ/m3、電導率233.4 S/cm。該論文第一作者為博士生王穎?;谡婵粘闉V成膜技術,他們首先通過碳納米管與石墨烯復合,引入碳納米結構的π-π作用;然后引入具有稠環結構的芘丁酸(PBA)和不同碳鏈長度的線性二胺(diamine)柔性交聯劑,讓其通過芳稠環-碳納米(石墨烯、碳納米管)之間的π-π交聯而發揮“補丁”和柔性交聯劑作用,實現了對碳納米復合紙的強韌化調控(圖1)。表征分析結果顯示,線性二胺的碳鏈長度為6時,所得的交聯復合紙具有最高的強度與韌性(圖2)。對比相似的工作,通過該方法制備得到的交聯復合紙具有更高的拉伸強度與更大的韌性,且在各種溶劑中具有更好的穩定性,有望在各種嚴苛環境中使用。進一步地,通過原位拉曼表征與分子動力學模擬計算后(圖3),證明芘丁酸與二胺的交聯分子(PBA-diamine-PBA)能有效傳遞應力,并連接碳納米管與石墨烯片層。

    圖1. CNTs/rGO復合紙的制備流程

    圖2. 不同復合紙的力學性能:(

    a)應力-應變曲線,(b)拉伸強度與韌性柱狀圖,

    (c)CLP-6(紅色,五角星形)的拉伸強度和韌性與其他類似材料在復合紙平面方向的拉伸強度和韌性的比較:

    rGO(黑色,五邊形),氫鍵交聯(藍色,圓形),金屬離子交聯(玫瑰紅,三角形),共價鍵交聯(橙色,菱形),

    π-π作用交聯(灰色,六邊形)和多重相互作用的交聯(綠色,矩形),

    (d)復合紙在超聲作用下,在不同溶劑中的穩定時間。

    圖3. 交聯前后復合紙在應力作用下的原位拉曼光譜(a, b)與分子動力學示意圖(c, d)。

      研究成果近期發表于ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上,該研究得到國家自然科學基金(51573149,51173148)和四川省科技計劃等項目的資助。

      原文:Ultrastrong Carbon Nanotubes/Graphene Papers via Multiple π–π Cross-LinkingYing Wang, Fanbin Meng*, Fei Huang, Ying Li, Xin Tian, Yuan Mei, Zuowan Zhou*ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 47811–47819, DOI: 10.1021/acsami.0c12501Publication Date: September 28, 2020Copyright © 2020 American Chemical Societ

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