氧化石墨烯(GO)一直被认为是有前途的多用途二维材料。但是,自支撑氧化石墨烯薄膜强度和柔韧性较差,这限制其大规模生产和长久耐用性。基于软体动物壳中珍珠层分级结构中的有机和无机成分之间的关系,受此启发,构建了自组装层状石墨烯基复合薄膜。该复合材料的有机相是在细菌生产γ-聚谷氨酸(PGA)的基础上,通过环保和经济有效的方法制备而来。常温下通过缓慢溶剂挥发法制备了GO、PGA和二价阳离子(Ca2+)复合薄膜,得到了珍珠层状的层状结构。这些生物基纳米复合薄膜显示出极好的力学性能,这归因于氢键与细菌产生的PGA以及离子与钙离子(Ca2+)之间的协同作用。GO/PGA/Ca2+复合膜的强度为150±51.9 MPa,杨氏模量为21.4±8.7 GPa,比纯GO膜分别提高了120%和70%以上。该工作为制备优良机械性能的石墨烯基薄膜提供了合理的设计策略,可将其应用于造纸,食品,饮料,颜料和制药行业中废水的过滤纯化,以及功能性膜和表面涂层等。
Figure 1. GO/PGA/Ca2+复合薄膜的制备示意图。
Figure 2. 在GO:PGA不同比例时,GO/PGA/Ca2 +纳米复合材料的机械性能。纳米复合材料(a)的拉伸强度和(b)杨氏模量。
Figure 3. 珍珠状薄膜的横截面SEM图像:(a)GO,(b)GO/Ca2 +,(c)GO/PGA和(d)GO/PGA/Ca2+复合膜。用Ca2 +溶液处理后,层状结构变得越来越致密。
Figure 4. (a)通过单轴拉伸试验得到的GO,GO/PGA和GO/PGA/Ca2 +复合膜的典型应力-应变曲线。(b)GO(黑色),GO/PGA(蓝色)和G /PGA /Ca2+(红色)复合薄膜的拉伸强度和杨氏模量特性。
该研究工作由中科大徐安武教授,荷兰代尔夫特理工大学Marie-Eve Aubin-Tam和美国罗切斯特大学Anne S. Meyer合作于2020年发表在ACS Nano期刊上。原文:Bioproduced Polymers Self-Assemble with Graphene Oxide into Nanocomposite Films with Enhanced Mechanical Performance。
转自《石墨烯杂志》公众号