無缺陷石墨烯為有效添加劑的超快自修復和光熱活性水凝膠

1成果簡介

高質量的二維石墨烯因其卓越的電子，熱學和機械性能而在改善水凝膠的性能方面具有廣闊的前景。然而，石墨烯中存在的結構缺陷限制了其進一步的應用。本文，鄭州大學材料科學與工程學院許群教授課題組《Macromolecular Materials and Engineering 》期刊發表名為「Superfast Self‐Healing and Photothermal Active Hydrogel with Nondefective Graphene as Effective Additive」的論文，藉助超臨界二氧化碳（SC CO 2）製造無缺陷石墨烯納米片的簡單而環保的方法。石墨烯納米片直接與丙烯酸單體和粘土組裝在一起，製備出柔性的半透明水凝膠。得益於無缺陷石墨烯的優異性能，水凝膠具有較高的機械性能，超快的自修復能力，出色的電導率和超高的光熱轉化效率。根據以上優點，石墨烯/聚丙烯酸/粘土水凝膠可在不久的將來用於疾病診斷，人造電子皮膚和軍事隱形材料的智能傳感器。

2圖文導讀

圖1、a，b）通過旋塗法沉積在雲母片上的石墨烯納米片的代表性AFM圖像

c）石墨烯的3D AFM圖像。石墨烯的HR-TEM圖像

d）中被紅色正方形包圍的區域的放大圖像。

e）石墨烯的C 1s XPS光譜。

f）石墨烯和本體石墨的拉曼光譜。

g）沉積在矽基底上的石墨烯納米片的光學顯微圖像。

h–k）分別製備的石墨烯的D，G峰和D / G比的拉曼映射。拉曼激發雷射波長為532nm。藉助SC CO 2（20 MPa，40°C）製備石墨烯，乙醇/ H 2 O 2的體積比為2：8。

圖2、a）拉曼光譜和b）在不同壓力下製備的石墨烯的I D / I G比。c–f）分別在12、14、16和18 MPa下製備的石墨烯的相應C 1s XPS光譜。

圖3、a）石墨烯/ PAA /粘土複合水凝膠的形成過程示意圖。

b）在SC CO 2（20 MPa，40°C）（向上）和添加石墨烯之前（左）和之後（右）的幫助下，與LED相連的輕質LED與石墨烯的連接。

c）自修復過程前後的PAA /粘土/石墨烯水凝膠和純PAA /粘土水凝膠的拉伸應力與應變曲線，自修復時間為1 h。

d）分別粘附在金屬和玻璃材料上的水凝膠的照片。

圖4、a）演示了串聯迴路中石墨烯/ PAA /粘土水凝膠的自修復過程，自修復時間設置為1分鐘。b）切口的數碼照片（左），癒合區域的側視圖（中）和癒合樣品（右）。c）自我修復機制的示意圖。

圖5、a）未經NIR照射的石墨烯/ PAA /粘土水凝膠的光熱圖像（左），經過NIR照射1 s（中）和31 s（右），功率為1.06 W.藉助SC CO 2（20 MPa，60°C）輔助，乙醇/ H 2 O 2的體積比為2：8。

b）石墨烯/ PAA /粘土水凝膠（石墨烯在60℃下在20 MPa下製備，乙醇/ H 2 O 2的體積比為2：8）的開關溫度曲線（1.06 W） 。

c）未經NIR照射的石墨烯/ PAA /粘土水凝膠的光熱圖像（左），經過NIR照射1 s（中）和31 s（右），功率為1.06 W.通過超臨界CO獲得的石墨烯樣品2在40℃時為12 MPa，乙醇/ H 2 O 2的體積比為2：8。

d）在近紅外（1.06 W）照射下，石墨烯/ PAA /粘土水凝膠（石墨烯在40℃下以12 MPa製備，乙醇/ H 2 O 2的體積比為2：8）的開關溫度曲線。

e）具有缺陷的石墨烯或無缺陷的石墨烯的水凝膠的光熱轉化的示意圖。

3小結

綜上所述，展示了一種基於SC CO 2的新穎工藝，用於生產無缺陷石墨烯納米片。石墨烯納米片可以在SC CO 2的高壓下進一步連接到完美的大尺寸石墨烯。石墨烯的結構缺陷程度可以通過SC CO 2的壓力和溫度來控制。高壓和低溫有利於無缺陷石墨烯的結構完整性。製備的石墨烯具有優異的導電性和光熱性能，使其成為PAA /粘土水凝膠的有效添加劑。與不含石墨烯的水凝膠相比，所製備的石墨烯/ PAA /粘土水凝膠顯示出超快的自愈能力，只需添加0.16 wt％的石墨烯即可在30 s內治癒。此外，石墨烯/ PAA /粘土水凝膠在近紅外雷射下曝光時也顯示出很強的光熱轉化效率和導熱性。石墨烯和水之間以及石墨烯和PAA之間的強氫鍵相互作用有效地促進了熱能在複雜水凝膠中的傳輸。

文獻：

來源：材料分析與應用