丝素蛋白纤维及功能化材料的设计与构筑

随着环境污染、资源枯竭和医疗健康等问题的加剧,研发同时满足特定使用性能、安全性及可再生性的新型材料成为当前的发展趋势.而丝素蛋白材料正是以天然蚕丝为基本原材料,经一定的加工和功能化而形成的具有特殊结构、独特性能和广泛应用的生物质材料,近年来在生物医药、生物电子、智能传感等领域展现出巨大的应用潜力.本专论总结了丝素蛋白纤维及功能化材料的最新成果,结合本课题组相关工作,重点阐述了再生丝素蛋白纤维的仿生制备、生物医用支架的构筑与功能化、智能电子材料的设计以及天然多功能蚕丝及其构筑基元制备的研究进展,以期为高性能丝素蛋白材料的设计与构筑提供指导和借鉴.     

石墨烯基纤维储能器件的研究进展与展望

随着小型化、可穿戴等特征的智能电子以及物联网传感设备的发展,新型纤维状柔性化、小型化电化学储能器件已成为重要的研究方向。同时,对纤维材料和柔性储能器件的性能提出了更高的要求,如可任意弯折、可拉伸、可折叠、高储能密度等。石墨烯纤维具有独特的结构、优异的导电性、良好机械性能和电化学性质,已证明了是一种极具前景、高性能的新型纤维状柔性储能材料。目前,研究者已开发了多种石墨烯基纤维微观结构的调控策略来进一步改进其性能。本文首先系统总结了石墨烯基纤维的制备方法和其性能提升的策略,然后详细讨论其在柔性化纤维状超级电容器、金属离子电池、热电发电机、太阳能电池和相变材料等储能领域中的最新应用进展。最后,对石墨烯基纤维在能源存储和转换领域中存在的挑战和机会进行了展望。     

纳米碳材料在可穿戴柔性导电材料中的应用研究进展

可穿戴设备的兴起使得对柔性器件的需求日益提高,柔性导电材料作为可穿戴器件的重要组成部分而成为研究的热点。传统的电极材料主要是金属,因金属材料本身不具有柔性,一般通过降低金属层厚度以及设计波纹结构等策略实现其在柔性器件中的应用,其加工程序复杂,成本较高。以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料兼具良好的柔性和优异的导电性,且具有化学稳定、热稳定、光学透明性等优点,在柔性导电材料领域展现了极大的应用潜力。本文简要综述了近年来纳米碳材料在柔性导电材料领域的研究进展,首先介绍了碳纳米管基柔性导电材料,分别包括基于碳纳米管水平阵列、碳纳米管垂直阵列、碳纳米管薄膜、碳纳米管纤维的柔性导电材料;继而介绍了石墨烯基柔性导电材料,包括基于剥离法制备的石墨烯和化学气相沉积法制备的石墨烯以及石墨烯纤维基柔性导电材料;并简述了碳纳米管/石墨烯复合柔性导电材料;最后论述了纳米碳材料基柔性导电材料所面临的挑战并展望了其未来发展方向。     

从天然动物丝到丝蛋白基材料的研究

作为具有优异综合力学性能的天然蛋白质纤维,丰产的动物丝特别是蚕丝长期伴随着人们的日常生活,近十余年来,各种具有特色的功能性丝蛋白基材料更是层出不穷.但在探索动物丝和丝蛋白基材料的过程中,动物丝纤维是经由蚕或蜘蛛等动物的纺器而纺制得到的简单事实往往被忽视;换言之,动物丝实际上是动物对丝蛋白进行体内“加工”后的产物,也是丝蛋白基材料中的一种.因此,天然动物丝中独特的各等级间构效关系与丝蛋白基材料的构效关系之间并不存在着必然的传承效应.本文着重介绍了我们在对动物丝和丝蛋白基材料探索中的经验和体会,即在强调以丝蛋白分子链结构与性能及其之间的关系为研究重点的基础上,从比较和发掘各种天然动物丝的特性入手,进而了解丝蛋白分子链在本体和溶液中的行为,并通过对动物丝蛋白分子链聚集态结构的调控,以达到设计制备一系列多形貌和多功能的动物丝蛋白基材料的目的.     

基于蛋白质类淀粉样聚集的表面功能化

表面改性在各个领域都扮演着重要的角色,其在不改变材料本身性质的前提下,赋予材料新的性能和更高的价值.然而制约先进界面材料进一步应用发展的一个关键难题为缺少一种简单温和、高效环保和无色透明的普适性界面改性体系.自类淀粉样蛋白质用于界面改性被报道以来,该体系引起了学术界的广泛关注和研究,一系列不同形态结构的蛋白质基材料如纳米薄膜、纳米纤维、大颗粒聚集体(产物)、水凝胶及气凝胶等被成功发展.本综述首先阐述了蛋白质类淀粉样聚集的基本原理,然后总结了蛋白质类淀粉样聚集作为表面改性体系在生物医用涂层、分离/透析、生物矿化、柔性电子、智能织物、化学催化和环境污染物去除等方向的应用,最后指出该体系存在的不足并对未来发展方向进行了展望.     

仿生光子晶体纤维的研究进展

光子晶体纤维是由光子晶体结构组成的纤维, 具有高饱和度的结构色彩; 其结合响应性材料或柔性基质可制备各种传感响应性光子晶体纤维, 在可穿戴智能传感设备方面具有应用潜力. 自然界中存在许多光子晶体纤维结构, 比如雪绒花花瓣的绒毛, 撒哈拉沙漠银蚂蚁的毛发, 黑嘴喜鹊羽毛等, 光子晶体纤维的研究对于取代传统纺织业的化学染料具有重要意义. 本综述总结了光子晶体纤维的概念、仿生制备方法、性能及相关应用, 并对光子晶体纤维在纺织业和智能传感领域的应用前景进行展望, 该综述对于发展光子晶体纤维的制备方法及潜在应用具有重要意义.     

柔性热电材料的研究进展及应用

热电材料是能够实现热能和电能直接相互转化的一类新型能源材料,在温差发电和半导体制冷两方面有重要应用。与传统热电材料相比,柔性热电材料具有形状可弯曲、重量轻和环境友好等优点,在可穿戴设备及其他柔性电子领域具有较好的应用前景。当前,如何进一步提高柔性热电材料的性能,特别是如何协同优化其柔韧性能与热电性能是研究的关键。本文结合近年的研究热点,综述了聚合物基柔性热电材料、碳基柔性热电材料和无机半导体类柔性热电材料的研究进展,详细介绍了这三类柔性热电材料的特点、性能优化以及制备方法,总结了柔性热电材料在电子、医疗和工业等领域的应用,并结合现存的一些问题和不足对柔性热电材料今后的研究方向进行了展望。     

基于MXenes的功能纤维的制备及其在智能可穿戴领域的应用

在电子信息和物联网技术的推动下,人类对可穿戴电子器件和智能织物的需求愈发突出,功能纤维作为智能可穿戴设备的重要载体,近年来获得快速发展。功能纤维的性能很大程度上取决于纤维的基础构筑单元。过渡金属碳/氮化物(MXenes)作为一种新兴的二维材料,凭借其高电导率、优异的可加工性能、可调节的表面特性以及出色的机械强度等优点,受到了极大的关注,也逐渐成为构筑功能纤维的重要单元。本文将主要综述MXenes的湿化学、熔融盐、无氟试剂刻蚀等方法和力学、电学、光学和化学稳定性等性能,阐述基于该材料制备的功能纤维在传感、储能以及其他智能领域的应用,最后讨论了基于MXenes材料的功能纤维的未来应用前景和技术挑战。     

石墨烯纤维材料的化学气相沉积生长方法

石墨烯纤维材料是以石墨烯为主要结构基元沿某一特定方向组装而成或由石墨烯包覆纤维状基元形成的宏观一维材料。根据组成基元的不同可将石墨烯纤维材料分为石墨烯纤维和石墨烯包覆复合纤维。石墨烯纤维材料在一维方向上充分发挥了石墨烯高强度、高导电、高导热等特点,在智能纤维与织物、柔性储能器件、便携式电子器件等领域具有广阔的应用前景。随着化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)制备石墨烯薄膜技术的发展,CVD技术也逐渐应用于石墨烯纤维材料的制备。利用CVD法制备石墨烯纤维可避免传统纺丝工艺中繁琐的氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)还原过程。同时,通过CVD法直接将石墨烯沉积至纤维表面可以保证石墨烯与纤维基底之间强的粘附作用,提高复合纤维的稳定性,同时可实现对石墨烯质量的有效调控。本文综述了石墨烯纤维材料的CVD制备方法,石墨烯纤维材料优异的力学、电学、光学性质及其在智能传感、光电器件、柔性电极等领域的应用,并展望了CVD法制备石墨烯纤维材料未来的发展方向。     

静电纺纳米纤维基超级电容器无粘合剂电极材料的研究进展

对高性能超级电容器不断增长的需求促进了无粘合剂电极材料的快速发展。静电纺纳米纤维由于具有良好的柔性、大比表面积、高孔隙率、容易制备等优点引起了研究者们的强烈关注。本文综述了静电纺纳米纤维基无粘合剂电极材料在超级电容器领域的研究进展,阐述了不同材料的设计制备过程和提升电化学性能的诸多方法,并指明了静电纺纳米纤维基超级电容器无粘合剂电极材料的发展机遇与挑战,为性能优异的无粘合剂超级电容器电极材料的进一步开发与应用拓宽了思路。     

石墨烯纤维：制备、性能与应用

石墨烯纤维是一种由石墨烯片层紧密有序排列而成的一维宏观组装材料。通过合理的结构设计和可控制备,石墨烯纤维能够将石墨烯在微观尺度的优异性能有效传递至宏观尺度,展现出优异的力学、电学、热学等性能,从而应用于功能织物、传感、能源等领域。目前,石墨烯纤维主要通过湿法纺丝、限域水热组装等方法制备得到,其性能可以通过对材料体系和制备工艺的优化而进一步提升。本文首先介绍了石墨烯纤维的制备方法,然后详细阐述了石墨烯纤维的性能,讨论了其性能提升策略,并总结了石墨烯纤维的应用,最后对石墨烯纤维的未来发展、挑战和前景进行了展望。     

Natural Biopolymers for Flexible Sensing and Energy Devices

Natural biopolymers feature natural abundance, diverse chemical compositions, tunable properties, easy processability, excellent biocompatibility and biodegradability, as well as nontoxicity, providing new opportunities for the development of flexible sensing and energy devices. Generally, biopolymers are utilized as the passive and active building blocks to endow the flexible devices with mechanical robustness and good biocompatibility. This review aims to provide a comprehensive review on natural biopolymer-based sensing and energy devices. The diverse structures and fabrication processes of three typical biopolymers, including silk, cellulose, and chitin/chitosan, are presented. We review their utilities as the supporting substrates/matrix, active middle layers, separators, electrolytes, and active components of flexible sensing devices(sensors, actuators, transistors) and energy devices(batteries, supercapacitors, triboelectric nanogenerators). Finally, the remaining challenges and future research opportunities are discussed.     

烯碳纤维基能源器件的研究进展

纤维状能源器件的研究极大地推动了可穿戴电子设备的快速发展。烯碳纤维主要包括碳纳米管纤维和石墨烯纤维,其微观组成单元具有独特的碳碳共轭分子形态,宏观结构具有高度可调控性,表现出高的比强度、优良的导电性和导热性、以及良好的机械柔韧性等,被广泛应用于先进能源器件的研究和开发,有效促进了柔性可穿戴电子器件的发展。本文综述了烯碳纤维基能源器件包括能量转换和储能器件等的研究和应用进展,具体介绍了烯碳纤维基太阳能电池、湿气发电机、热电发电机、超级电容器以及电化学电池等的最新成果,重点讨论了烯碳纤维基能源器件的制备方法和可穿戴应用,分析了烯碳纤维基储能及能量转换器件面临的问题和挑战,期望能够为未来高性能纤维基可穿戴能源器件的发展提供有价值的研究思路。     

烯碳材料在人工肌肉领域的应用进展

随着仿生机器人、智能控制及人工智能等领域的发展,传统的机械驱动方式已无法满足相关领域对致动系统提出的柔性、高效及多源刺激响应性等要求,因此需发展新型的人工肌肉材料。以碳纳米管和石墨烯为代表的烯碳材料具有轻质、高强、高电导率和柔性等特征,在人工肌肉领域展现出了巨大的应用潜力。以烯碳材料为基元构筑宏观组装体材料,或以烯碳材料为添加相制备纳米复合材料,可在微观和宏观架起桥梁,实现烯碳材料在人工肌肉领域的应用。本文基于上述两种应用形式,综述了烯碳材料在人工肌肉领域的应用进展。首先从一维纤维和二维薄膜的烯碳人工肌肉宏观表现形态出发,介绍了既作为结构材料,又提供了响应、驱动功能的烯碳材料在人工肌肉中的应用。接着从机电性能、可编程的响应形变以及传感功能三个方向,介绍了烯碳材料作为增强赋能相在人工肌肉材料中的功能性应用。最后阐述了基于烯碳材料人工肌肉的机遇与挑战。     

烯碳材料改性有机高性能纤维：制备、性能及应用

有机高性能纤维是全球化纤工业的重要发展方向之一。提升现有纤维力学性能的同时研发新型结构功能一体化的纤维对提升我国在航天航空等领域的国际地位具有重要意义。以石墨烯和碳纳米管为代表的烯碳材料具备优异的力、电、热学等性能,可用于改性传统有机高性能纤维。通过制备不同物化性质的烯碳材料并设计合理的改性方式,可将烯碳材料优异的性能传递到传统纤维中,形成具备更高力、电、热学等性能的烯碳材料改性有机高性能纤维。本文首先综述了烯碳材料改性有机高性能纤维的制备方式,包括烯碳材料的分散与功能化、烯碳材料对有机高性能纤维的改性方法,阐述了烯碳材料改性有机高性能纤维的力、电、热学等性能以及烯碳材料的增强机理,进而总结了烯碳材料改性有机高性能纤维的应用,并对其现存的挑战和未来的发展做出展望。     

碳纳米管纤维的连续制备及高性能化

碳纳米管纤维是一种碳纳米管的宏观聚集体,是由碳纳米管及管束组装而成的连续纱线,具有高强、高韧、高导电等特性,在结构功能一体化复合材料、纤维状能源器件、人工肌肉以及轻质导电线缆等领域具有非常广泛的应用前景。经过近二十年的发展,碳纳米管纤维材料在连续制备技术、高性能化以及应用探索等方面相继取得了突破性的研究进展。本文总结了碳纳米管纤维材料的发展历程,对比介绍了碳纳米管纤维的不同连续制备与组装技术,重点讨论了碳纳米管纤维结构与性能之间的关联规律,并对目前碳纳米管纤维的高性能化方法进行了综述。在此基础上,对碳纳米管纤维材料的发展思路以及未来的应用方向进行了展望。     

石墨烯在自供能传感系统中的应用

随着现代社会智能化的加速发展,传感系统中传感器的数量、密度和分布范围不断增加,传统的供能方式难以满足如此复杂多变的传感器供能需求,从周围环境中收集能量并转化为电能的自供能传感器件是解决这一难题的有效途径。石墨烯不仅具有优异的传感性能,而且在各种能源器件中有广泛的应用,这为基于石墨烯的自供能传感器件设计提供了便利。近年来,人们已经研究和发展了多种多样的石墨烯自供能传感器件。本文基于自供能器件的基本能量供给原理,包括电化学供能、光伏供能、摩擦电供能、水伏供能以及热电、压电、热释电等其它供能,分别介绍了石墨烯在自供能传感器件中的应用,并展望了基于石墨烯的自供能传感器件的未来发展、挑战和前景。