仿生石墨烯纳米复合材料及其在柔性能源器件中的应用

目前,各种各样的电子设备日益改变人们的日常生活,小型化、便携式、可穿戴成为电子设备的发展趋势。而长时间可反复弯曲、折叠、拉伸且不影响性能的柔性特征是实现这一目标的必要条件。石墨烯因其具有优异的力学和电学性能,几乎满足了人们对柔性器件材料的所有要求,是最具前景的一种组装柔性电子器件的基元材料。但是目前传统组装方法构筑的石墨烯纳米复合材料,力学性能和电学性能较低,所制备的电子器件无法满足商业化应用的要求,因此,发展一种新的构筑石墨烯柔性器件的方法是实现其商业化的一个重要挑战。

大自然是最为精妙而富有想象力的工程师,它构筑的生命体结构可以为人们创造新型材料提供诸多灵感。在众多可用于仿生的结构中,鲍鱼壳显示出奇特的力学性能,主要源于其精妙的有序微纳米“砖-泥”层状多级结构和丰富界面作用,这也被称为是仿生纳米复合材料里的“黄金准则”。受此“黄金准则”的启发,一系列高性能的仿生石墨烯纳米复合材料在过去的一段时间里被制备出来。相比于传统组装方法,该种仿生构筑策略成功实现了石墨烯在聚合物基质中的均匀分散,高含量以及可设计的界面相互作用,赋予了仿生石墨烯纳米复合材料优异的力学和电学性能。

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近期,北京航空航天大学程群峰课题组按照有所发现,有所发明,有所创造的研究思路综述了此类仿生石墨烯纳米复合材料的研究进展。首先,详细讨论了各种组装方法(层层组装、真空抽滤、蒸发诱导、电化学沉积、凝胶成膜以及冰模板法)的优缺点,比较了不同的界面相互作用(氢键、离子键、π-π共轭相互作用以及共价键)对材料力学性能的增强作用,揭示了界面协同强韧效应的本质,阐明了石墨烯纳米片与其他一维、二维基元材料之间的协同效应;进一步,综述了仿生石墨烯纳米复合材料在柔性能源器件领域(有机光电器件、有机场效应晶体管、驱动器、纳米发电机以及超级电容器)的应用及挑战;最后总结提出了“仿生协同强韧策略”是构筑强韧一体化高导电石墨烯纳米复合材料的有效方法。最后,作者展望了此类材料在柔性能源器件领域未来5~10年的发展方向:提升材料的强度以实现其在航空航天方面的应用,开展材料电学以及抗疲劳性能的研究以推动其在柔性电子器件领域的应用,探索新型组装工艺实现其工业化制备。

本工作发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201601934)上,通讯作者为北京航空航天大学化学学院程群峰研究员,第一作者为北京航空航天大学化学学院博士研究生万思杰同学。