[发明专利]一种仿生三元体系石墨烯-黑磷纳米复合材料薄膜制备方法

说明书

本发明涉及一种仿生三元体系石墨烯‑黑磷纳米复合材料薄膜制备方法，将氧化石墨烯、黑磷纳米片(BP)以及1‑氨基芘(AP)‑辛二酸双(N‑羟基琥珀酰亚胺酯)(DSS)分子，通过氧化石墨烯与黑磷纳米片之间形成的P‑O‑C共价键、黑磷纳米片层间的润滑以及氧化石墨烯和AP‑DSS之间π‑π共轭的协同作用仿生构筑了超韧性三元体系石墨烯基纳米复合材料，其断裂韧性达到51.8MJ m^‑3，是天然贝壳的29倍。这种BP三元体系石墨烯基纳米复合材料的保持极好的化学稳定性，长时间暴露在空气中的纳米材料薄膜其断裂韧性可保持在95％以上。因此，通过仿生策略构筑的超韧性石墨烯基纳米复合材料薄膜将在航空航天和可穿戴柔性器件等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种仿生三元体系石墨烯-黑磷纳米复合材料薄膜制备方法，属于纳米复合材料制备领域。

背景技术

随着可折叠传感器、易携带式电池、可接触式可弯曲屏以及可卷曲超级电容器等柔性器件的迅猛发展，目前急需具有一种超韧性材料来满足这种柔性需求。石墨烯由于其独特的电学、机械性能和化学稳定性，常常作为一种2D材料在柔性电器件和航空航天领域应用广泛。除此之外，石墨烯常常作为一个增韧的成分应用于材料中，使复合材料的力学性能(拉伸强度、断裂韧性)得到一定程度的提升，扩大了石墨烯基复合材料在相关领域中的应用技术情景。但是，到目前为止石墨烯基纳米复合材料的断裂韧性和强度仍然处在一种较低的水平，因此制备出一种石墨烯基复合材料兼具高韧性和高拉伸强度仍然是一个挑战。

鉴于此，一些方法已经被用来提升石墨烯基复合材料的断裂韧性和拉伸强度。受到贝壳无机-有机交替的微/纳米层状结构和界面作用的启发，一些无机块状材料如：蒙脱土(J.Mater.Chem.A 2015,3,21194–21200)、双壁纳米管(Adv.Mater.2012,24,1838-1843)以及氧化铝片(Mater.Sci.Eng.C 2009,29,2050-2054)被成功地引入到石墨烯层间，通过与石墨烯之间的界面摩擦力来提升石墨烯基复合材料柔性薄膜的力学性能。尽管这些复合材料的高拉伸强度得以实现，但是很少情况下能够获得高韧性的层状复合材料。氧化石墨烯作为石墨烯的水溶性衍生物，由于其表面含有大量的含氧官能团，一直深受众多研究者青睐。研究者们深受贝壳的启发，常常利用其表面的含氧官能团进行化学交联来提升复合材料的GO层间的界面强度。于是研究者们开始利用氧化石墨烯与不同填充物形成的共价键如10,12-二十五碳二炔-1-醇(PCDO)(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,1–7)，硼酸盐(Adv.Mater.2011,23,3842–3846)；离子键如Zn²⁺(Chem.Commun.2015,51,2671-2674.)，Ca²⁺(Adv.Mater.2016,28,2834-2839)，Mg²⁺(ACS Nano 2008,2,572-578)；π-π共轭如多巴胺(PDA)(ACS Nano 2014,8,9511-9517)，热塑性聚氨酯(TPU)(ACS Nano 2015,9,708-714)以及氢键如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(Adv.Funct.Mater.2010,20,3322-3329)，聚乙烯醇(PVA)(Adv.Mater.2012,24,3426-3431)，纤维素等一种价键或多种价键的协同作用来提升石墨烯基复合材料的力学性能，韧性最高可达到20.7MJ m^-3。尽管这些方法使复合材料的机械强度得到了一些显著提高，但是往往伴随断裂韧性和柔性的下降。因此，制备出一种超韧性兼具高强度的石墨烯基纳米复合材料到目前为止依然是一个巨大的挑战。