层状仿生高分子纳米复合材料

自然界中,鲍鱼壳具有有机-无机多级次层状结构以及大量的复合界面作用,力学性能优异。这一独特的层状结构主要由霰石碳酸钙片层构成,并通过体积分数约为5%的生物高分子在层间进行粘合。受鲍鱼壳这一微观结构的启发,我们利用不同的基元材料如纳米蒙脱土、碳纳米管以及氧化石墨烯等构筑仿鲍鱼壳层状结构,并结合多种界面设计,实现不同界面、不同基元材料之间的协同作用,得到了力学性能优异的高分子纳米复合材料。仿生高分子纳米复合材料的成功制备,为今后的研究提供了崭新的思路,拓宽了高分子纳米复合材料的应用前景。     

石墨烯/橡胶纳米复合材料研究进展

石墨烯结合了碳纳米管导电和黏土片层的结构特征,为发展高性能、多功能聚合物纳米复合材料提供了新的方向.石墨烯/橡胶纳米复合材料近年来引起广泛关注.众多研究结果表明石墨烯是橡胶的理想填料之一,为高性能橡胶改性提供了新途径.本文介绍了石墨烯/橡胶纳米复合材料的3种主要制备方法,即乳液共混法、溶液共混法和机械混炼法,以及材料的物理机械性能、电学性能、气体阻隔性能和热学性能,并分析了该类材料的发展前景和存在问题.     

层间共价增强石墨烯材料的构筑、性能与应用

大批量石墨烯可控制备技术的逐渐成熟为实现其宏观组装和应用提供了基础。在众多的组装策略中,调节石墨烯层间的界面相互作用可以直接影响组装体的力学、电学、热学以及渗透等性质,具有重要的意义。石墨烯片层间以共价键连接的层间共价石墨烯材料以其可调的层间距、较强的层间作用力、丰富的功能化、以及可能的原子构型重排等特性,受到了广泛的关注和深入的研究。相比于其他非共价的键合手段,共价连接是一种更为牢固的枢纽。本文中我们将总结讨论层间共价石墨烯材料的构筑方法、性能以及应用。在构筑方法中,依据石墨烯本身的制备方法分为氧化还原法以及化学气相沉积法,而在氧化还原法中,以其宏观材料的形貌分为纸状和纤维状来讨论。接着,我们重点介绍了层间共价对其力学和电学性能的影响,并概述了此类宏观组装体材料的应用。层间共价石墨烯材料继承了石墨烯自身优异的特性,同时也具有宏观组装所赋予的性能,有望在多个领域得到广泛的应用。     

高分子/石墨烯纳米复合纤维研究进展

石墨烯作为二维单原子层纳米材料,性能优异,可与高分子通过物理、化学复合得到纳米复合材料。其中,通过纺丝得到高分子/石墨烯纳米复合纤维,与其它一般复合材料相比,既有相同之处,又有其独特特点。例如,均面临石墨烯片层的剥离和分散难题,在解决此难题的基础上,有望在极低含量下实现效能的显著提升;而纤维在拉伸驱动下取向、结晶、相分离和自组装等行为,则是特殊而又值得深入研究的问题。本文综述了高分子/石墨烯纳米复合纤维的最新研究进展,主要包括其制备方法、结构与性能、潜在应用等。     

高性能石墨烯/聚合物纳米复合材料的研究进展——界面作用力的设计及其影响

石墨烯是一种二维材料,具有极其优异的电学、力学、热学等性能,制备方法简单且价格低廉,可以在高性能聚合物基复合材料中展现无穷魅力.石墨烯在聚合物中的分散状态,以及与基体间的界面作用是构筑高性能石墨烯/聚合物纳米复合材料的关键因素.本文综述了石墨烯/聚合物纳米复合材料的界面作用力,包括氢键、π-π堆栈、共价、配位作用和成核—结晶作用,并总结和评述了这些界面作用力的优缺点和适用范围.最后展望了多种协同作用在构筑强界面作用力的石墨烯/聚合物基纳米复合材料中的应用前景.     

石墨烯气凝胶的可控组装

石墨烯气凝胶一般是由石墨烯片层经过湿法化学组装或气相化学生长获得的一种具有连通多孔网络结构的石墨烯三维宏观体材料,表现出极高的比表面积、良好的导电性以及优异的机械性能等,在电化学储能、吸附、催化以及传感等领域有着极为重要的应用。本文从石墨烯气凝胶的结构设计与组装策略出发,综述了近年来石墨烯纳米结构单元在石墨烯气凝胶材料（氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、化学气相沉积（CVD）石墨烯、以及复合气凝胶等）中的组装行为,并对石墨烯气凝胶目前的现状及今后发展方向做了简要评述。     

π-共轭纤维状杂化纳米结构的精准构筑与功能化

共轭聚合物因在电致发光材料、场效应晶体管等领域具有潜在的应用前景而受到人们的广泛关注。通过π-共轭聚合物的可控组装实现纳米纤维结构的精确构筑一直是提升材料性能的研究方向和挑战之一。近来,中国科学院上海有机化学研究所黄晓宇、冯纯课题组将非共价作用与活性结晶驱动自组装相结合,实现了多组分和多功能的以π-共轭对苯撑乙烯撑寡聚物(OPV)为核的纤维状杂化纳米结构的精确构筑及选择性功能化。利用"自晶种"(self-seeding)和活性"种子增长"(seeded growth)制备了以OPV为核,不同壳层的三嵌段和五嵌段单分散纳米纤维,并实现了对纤维各个嵌段长度的控制。利用聚2-乙烯基吡啶(P2VP)壳层作为后功能化锚点,可将无机纳米粒子(CdTe量子点、Au、Ag和Fe3O4纳米粒子)、聚合物球形胶束、SiO2/TiO2层负载在纤维状胶束的P2VP壳层中,并可单独对含有不同壳层的多嵌段纤维状胶束的P2VP壳层进行选择性修饰。这为多组分和多功能的π-共轭杂化纳米纤维状结构的高效构筑提供了一条新途径。     

一步微波法制备石墨烯-硫化镉纳米复合材料

石墨烯-硫化镉量子点纳米复合材料在光电领域具有广阔的应用前景, 而其性能依赖于良好的硫化镉纳米颗粒均匀地分布在单片石墨烯片上。为此, 我们发展了一种简便的一步制备高质量石墨烯-硫化镉纳米复合材料的方法。该方法以氧化石墨烯为原料, 二水乙酸镉作为镉源, 硫代乙酰胺作为硫源, 通过微波加热处理数分钟直接制得石墨烯-硫化镉纳米复合材料。电镜照片显示获得的石墨烯-硫化镉纳米复合材料中硫化镉纳米粒子均匀生长在石墨烯表面, 无明显聚集产生。以氧化石墨烯为起始原料一步合成保证了最终纳米复合材料中石墨烯主要以单片形式存在, 而在微波加热合成过程中, 氧化石墨烯也同时还原成石墨烯。     

有机染料-层状硅酸盐光活性纳米复合材料*

有机-无机纳米复合材料,尤其是有机客体插层入无机层状固体自组装形成的纳米复合材料,因其独特的微观结构与性能,在超分子构筑纳米材料领域中具有特殊地位。本文主要介绍了光致变色与光致发光光功能性有机染料插层层状硅酸盐纳米复合材料的研究进展,着重讨论了螺吡喃、偶氮、二芳基乙烯、芘、香豆素等染料在二维纳米片层间独特的光学行为、有序排列形态、构筑的多层功能性薄膜及其在光功能性材料开发方面的应用前景。     

一步微波法制备石墨烯-硫化镉纳米复合材料

石墨烯-硫化镉量子点纳米复合材料在光电领域具有广阔的应用前景,而其性能依赖于良好的硫化镉纳米颗粒均匀地分布在单片石墨烯片上。为此,我们发展了一种简便的一步制备高质量石墨烯-硫化镉纳米复合材料的方法。该方法以氧化石墨烯为原料,二水乙酸镉作为镉源,硫代乙酰胺作为硫源,通过微波加热处理数分钟直接制得石墨烯-硫化镉纳米复合材料。电镜照片显示获得的石墨烯-硫化镉纳米复合材料中硫化镉纳米粒子均匀生长在石墨烯表面,无明显聚集产生。以氧化石墨烯为起始原料一步合成保证了最终纳米复合材料中石墨烯主要以单片形式存在,而在微波加热合成过程中,氧化石墨烯也同时还原成石墨烯。     

Ultra‐Tough Inverse Artificial Nacre Based on Epoxy‐Graphene by Freeze‐Casting

Epoxy nanocomposites combining high toughness with advantageous functional properties are needed in many fields. However, fabricating high‐performance homogeneous epoxy nanocomposites with traditional methods remains a great challenge. Nacre with outstanding fracture toughness presents an ideal blueprint for the development of future epoxy nanocomposites. Now, high‐performance epoxy‐graphene layered nanocomposites were demonstrated with ultrahigh toughness and temperature‐sensing properties. These nanocomposites are composed of ca. 99 wt % organic epoxy, which is in contrast to the composition of natural nacre (ca. 96 wt % inorganic aragonite). These nanocomposites are named an inverse artificial nacre. The fracture toughness reaches about 4.2 times higher than that of pure epoxy. The electrical resistance is temperature‐sensitive and stable under various humidity conditions. This strategy opens an avenue for fabricating high‐performance epoxy nanocomposites with functional properties.     

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。     

石墨烯作为硫载体在锂硫电池中的研究进展

锂硫电池因其超高的理论能量密度以及硫资源丰富、成本低廉、无毒的优点,被认为是极具发展潜力与应用前景的新一代储能设备。然而,硫正极导电性差、体积膨胀以及穿梭效应严重等问题严重制约了其商业化应用。石墨烯具有高比表面积、高导电性和高柔韧性,并且易于进行表面化学修饰及组装,是一种理想的硫载体材料。本文主要综述了近年来三维石墨烯、表面化学修饰的石墨烯、石墨烯基复合材料以及石墨烯基柔性材料在锂硫电池正极中的研究现状,并展望了石墨烯作为硫载体在锂硫电池正极中的发展趋势。     

表面电荷转移掺杂石墨烯的研究进展

表面电荷转移掺杂是调制石墨烯电学特性的重要手段。发展高效、稳定的表面电荷转移掺杂剂对于提高石墨烯的电学和光电性能、从而推动其在电子和光电领域中的应用具有重要意义。本文围绕高效与稳定两个方面综述了近年来石墨烯表面电荷转移掺杂剂的研究现状以及掺杂石墨烯在光电器件应用方面的进展。根据掺杂剂的类型，着重介绍了最新发展的高效p型和n型掺杂剂，并概述了稳定掺杂方面的重要研究工作。此外，专门介绍了基于掺杂石墨烯透明电极的高性能光电器件。最后，根据表面电荷转移掺杂研究面临的主要挑战，对其未来的发展方向进行了展望。     

功能化石墨烯材料：定义、分类及制备策略

自2004年被成功制备后,石墨烯因其独特迷人的性质在近十几年来备受关注,同时也引发了二维纳米材料的研究热潮。单原子层厚度的二维结构赋予石墨烯非同寻常的光学、电子学、磁学及力学等性质,使得石墨烯在生物学、医学、化学、物理学和环境科学等多个领域展现出极大的应用潜力。制得注意的是,石墨烯在应用时通常需要进行功能化,调节其组成、大小、形状和结构等,以便于加工处理或满足不同的应用需求。石墨烯功能化方法多样,功能化产物也是种类繁多。然而,到目前为止,石墨烯功能化产物并没有系统全面的分类和精确的定义。因此,本文在系统总结现有石墨烯功能化研究的基础上,给出了石墨烯功能化产物的系统分类、各类的精确定义和相应的制备策略,并通过典型示例进行了详细地阐述。石墨烯功能化的产物统称为“功能化石墨烯材料”,分为两类：“功能化石墨烯”和“功能化石墨烯复合材料”。功能化石墨烯材料的制备可由“自上而下”和“自下而上”两种策略实现。制备策略的选择取决于应用需求。系统分类、精确命名和制备策略的归纳必将有助于功能化石墨烯材料的进一步发展。     

Tough and Conductive Nacre-inspired MXene/Epoxy Layered Bulk Nanocomposites

A long-standing quest in materials science has been the development of tough epoxy resin nanocomposites for use in numerous applications. Inspired by nacre, here we report tough and conductive MXene/epoxy layered bulk nanocomposites. The orientation of MXene lamellar scaffolds is enhanced by annealing treatment. The improved interfacial interactions between MXene lamellar scaffold and epoxy through surface chemical modification resulted in a synergistic effect. Tailoring the interlayer spacing of MXene nanosheets to a critical distance resulted in a fracture toughness about eight times higher than that of pure epoxy, surpassing other epoxy nanocomposites. Our nacre-inspired MXene/epoxy layered bulk nanocomposites also show high electrical conductivity that provides self-monitoring capability for structural integrity and exhibits an excellent electromagnetic interference shielding efficiency. Our proposed strategy provides an avenue for fabricating high-performance epoxy nanocomposites.     

Layered nanocomposites inspired by the structure and mechanical properties of nacre

Nacre (mother-of-pearl), made of inorganic and organic constituents (95 vol% aragonite calcium carbonate (CaCO(3)) platelets and 5 vol% elastic biopolymers), possesses a unique combination of remarkable strength and toughness, which is compatible for conventional high performance materials. The excellent mechanical properties are related to its hierarchical structure and precisely designed organic-inorganic interface. The rational design of aragonite platelet strength, aspect ratio of aragonite platelets, and interface strength ensures that the strength of nacre is maximized under platelet pull-out failure mode. At the same time, the synergy of strain hardening mechanisms acting over multiple scales results in platelets sliding on one another, and thus maximizes the energy dissipation of viscoplastic biopolymers. The excellent integrated mechanical properties with hierarchical structure have inspired chemists and materials scientists to develop biomimetic strategies for artificial nacre materials. This critical review presents a broad overview of the state-of-the-art work on the preparation of layered organic-inorganic nanocomposites inspired by nacre, in particular, the advantages and disadvantages of various biomimetic strategies. Discussion is focused on the effect of the layered structure, interface, and component loading on strength and toughness of nacre-mimic layered nanocomposites (148 references).     

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。