仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料

彭景淞 程群峰

引用本文: 彭景淞, 程群峰. 仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2005006-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005006 shu
Citation:  Jingsong Peng, Qunfeng Cheng. Nacre-Inspired Graphene-based Multifunctional Nanocomposites[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(5): 2005006-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005006 shu

仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料

    作者简介:
    程群峰,1981年生。2008年于浙江大学获得博士学位。现为北京航空航天大学化学学院教授。主要从事仿生功能纳米复合材料方面的研究;
    通讯作者: 程群峰, cheng@buaa.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 51522301

    国家自然科学基金 51961130388

    国家自然科学基金 21875010

    国家自然科学基金 21273017

    国家自然科学基金 51103004

    牛顿高级学者基金 NAF\R1\191235

    北京市杰出青年基金 JQ19006

    111引智计划 B14009

    中央高校基本科研业务费专项资金 YWF-19-BJ-J-8

摘要: 石墨烯具有力学性能高、电导率优异等特点,然而单层石墨烯纳米片在组装成为宏观纳米复合材料的过程中,往往会出现片层团聚、界面作用弱、无规取向等问题,导致宏观石墨烯纳米复合材料性能远低于单片石墨烯。因此,如何将微观石墨烯纳米片层的高性能在宏观纳米复合材料中体现出来,是目前研究的热点和难点。本专论结合目前石墨烯纳米复合材料的研究现状,简要讨论了受天然鲍鱼壳的“砖-泥”结构的启发,仿生构筑高性能石墨烯纳米复合材料的最新研究进展。并对本课题组在仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料领域近年来的工作进行介绍,包括石墨烯纤维、薄膜和块材等多种宏观石墨烯纳米复合材料,系统总结构筑仿鲍鱼壳结构和反鲍鱼壳结构两种策略,在一定程度上解决了石墨烯在组装过程中的科学问题。同时,详细阐述了仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料的增强增韧机制和功能化策略,分析了今后研究工作中可能遇到的问题,并展望了未来的发展趋势。

English

    1. [1]

      Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Nat. Mater. 2007, 6, 183. doi: 10.1038/nmat1849

    2. [2]

      Lee, C.; Wei, X.; Kysar, J. W.; Hone, J. Science 2008, 321, 385. doi: 10.1126/science.1157996

    3. [3]

      Berger, C.; Song, Z. M.; Li, X. B.; Wu, X. S.; Brown, N.; Naud, C.; Mayou, D.; Li, T. B.; Hass, J.; Marchenkov, A. N.; et al. Science 2006, 312, 1191. doi: 10.1126/science.1125925

    4. [4]

      Huang, C.; Cheng, Q. Compos. Sci. Technol. 2017, 150, 141. doi: 10.1016/j.compscitech.2017.07.021

    5. [5]

      Wan, S.; Peng, J.; Jiang, L.; Cheng, Q. Adv. Mater. 2016, 28, 7862. doi: 10.1002/adma.201601934

    6. [6]

      Wegst, U. G.; Bai, H.; Saiz, E.; Tomsia, A. P.; Ritchie, R. O. Nat. Mater. 2015, 14, 23. doi: 10.1038/nmat4089

    7. [7]

      Barthelat, F.; Yin, Z.; Buehler, M. J. Nat. Rev. Mater. 2016, 1, 16007. doi: 10.1038/natrevmats.2016.7

    8. [8]

      Espinosa, H. D.; Rim, J. E.; Barthelat, F.; Buehler, M. J. Prog. Mater. Sci. 2009, 54, 1059. doi: 10.1016/j.pmatsci.2009.05.001

    9. [9]

      Dikin, D. A.; Stankovich, S.; Zimney, E. J.; Piner, R. D.; Dommett, G. H.; Evmenenko, G.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. Nature 2007, 448, 457. doi: 10.1038/nature06016

    10. [10]

      Keten, S.; Buehler, M. J. Nano Lett. 2008, 8, 743. doi: 10.1021/nl0731670

    11. [11]

      Park, S.; Lee, K. S.; Bozoklu, G.; Cai, W.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. ACS Nano 2008, 2, 572. doi: 10.1021/nn700349a

    12. [12]

      Xu, Y.; Bai, H.; Lu, G.; Li, C.; Shi, G. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5856. doi: 10.1021/ja800745y

    13. [13]

      Putz, K. W.; Compton, O. C.; Palmeri, M. J.; Nguyen, S. T.; Brinson, L. C. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3322. doi: 10.1002/adfm.201000723

    14. [14]

      Li, Y. Q.; Yu, T.; Yang, T. Y.; Zheng, L. X.; Liao, K. Adv. Mater. 2012, 24, 3426. doi: 10.1002/adma.201200452

    15. [15]

      Hu, K.; Tolentino, L. S.; Kulkarni, D. D.; Ye, C.; Kumar, S.; Tsukruk, V. V. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 13784. doi: 10.1002/anie.201307830

    16. [16]

      Xu, Z.; Sun, H.; Zhao, X.; Gao, C. Adv. Mater. 2013, 25, 188. doi: 10.1002/adma.201203448

    17. [17]

      Yeh, C. N.; Raidongia, K.; Shao, J.; Yang, Q. H.; Huang, J. Nat. Chem. 2014, 7, 166. doi: 10.1038/nchem.2145

    18. [18]

      Zhang, M.; Huang, L.; Chen, J.; Li, C.; Shi, G. Adv. Mater. 2014, 26, 7588. doi: 10.1002/adma.201403322

    19. [19]

      Wang, J.; Qiao, J.; Wang, J.; Zhu, Y.; Jiang, L. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 9281. doi: 10.1021/acsami.5b02194

    20. [20]

      Xin, G.; Yao, T.; Sun, H.; Scott, S. M.; Shao, D.; Wang, G.; Lian, J. Science 2015, 349, 1083. doi: 10.1126/science.aaa6502

    21. [21]

      Georgakilas, V.; Tiwari, J. N.; Kemp, K. C.; Perman, J. A.; Bourlinos, A. B.; Kim, K. S.; Zboril, R. Chem. Rev. 2016, 116, 5464. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00620

    22. [22]

      Xiong, R.; Hu, K.; Grant, A. M.; Ma, R.; Xu, W.; Lu, C.; Zhang, X.; Tsukruk, V. V. Adv. Mater. 2016, 28, 1501. doi: 10.1002/adma.201504438

    23. [23]

      Ye, S.; Chen, B.; Hu, D.; Liu, C.; Feng, J. ChemNanoMat 2016, 2, 816. doi: 10.1002/cnma.201600127

    24. [24]

      Zhao, H.; Yue, Y.; Zhang, Y.; Li, L.; Guo, L. Adv. Mater. 2016, 28, 2037. doi: 10.1002/adma.201505511

    25. [25]

      He, G.; Xu, M.; Zhao, J.; Jiang, S.; Wang, S.; Li, Z.; He, X.; Huang, T.; Cao, M.; Wu, H.; et al. Adv. Mater. 2017, 29, 1605898. doi: 10.1002/adma.201605898

    26. [26]

      Xin, G.; Zhu, W.; Deng, Y.; Cheng, J.; Zhang, L. T.; Chung, A. J.; De, S.; Lian, J. Nat. Nanotechnol. 2019, 14, 168. doi: 10.1038/s41565-018-0330-9

    27. [27]

      Li, P.; Yang, M.; Liu, Y.; Qin, H.; Liu, J.; Xu, Z.; Liu, Y.; Meng, F.; Lin, J.; Wang, F.; et al. Nat. Commun. 2020, 11, 2645. doi: 10.1038/s41467-020-16494-0

    28. [28]

      Wan, S.; Cheng, Q. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1703459. doi: 10.1002/adfm.201703459

    29. [29]

      Zhang, Y.; Gong, S.; Zhang, Q.; Ming, P.; Wan, S.; Peng, J.; Jiang, L.; Cheng, Q. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 2378. doi: 10.1039/c5cs00258c

    30. [30]

      Xu, Z.; Gao, C. Nat. Commun. 2011, 2, 571. doi: 10.1038/ncomms1583

    31. [31]

      Zhang, Y.; Li, Y.; Ming, P.; Zhang, Q.; Liu, T.; Jiang, L.; Cheng, Q. Adv. Mater. 2016, 28, 2834. doi: 10.1002/adma.201506074

    32. [32]

      Zhang, Y.; Peng, J.; Li, M.; Saiz, E.; Wolf, S. E.; Cheng, Q. ACS Nano 2018, 12, 8901. doi: 10.1021/acsnano.8b04322

    33. [33]

      Wang, X.; Peng, J.; Zhang, Y.; Li, M.; Saiz, E.; Tomsia, A. P.; Cheng, Q. ACS Nano 2018, 12, 12638. doi: 10.1021/acsnano.8b07392

    34. [34]

      Cheng, Y. R.; Peng, J. S.; Xu, H. J.; Cheng, Q. F. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1800924. doi: 10.1002/adfm.201800924

    35. [35]

      Wan, S.; Zhang, Q.; Zhou, X.; Li, D.; Ji, B.; Jiang, L.; Cheng, Q. ACS Nano 2017, 11, 7074. doi: 10.1021/acsnano.7b02706

    36. [36]

      Akbari, A.; Cunning, B. V.; Joshi, S. R.; Wang, C.; Camacho-Mojica, D. C.; Chatterjee, S.; Modepalli, V.; Cahoon, C.; Bielawski, C. W.; Bakharev, P.; et al. Matter 2020, 2, 1198. doi: 10.1016/j.matt.2020.02.014

    37. [37]

      Wan, S.; Li, Y.; Mu, J.; Aliev, A. E.; Fang, S.; Kotov, N. A.; Jiang, L.; Cheng, Q.; Baughman, R. H. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2018, 115, 5359. doi: 10.1073/pnas.1719111115

    38. [38]

      Zhou, T.; Ni, H.; Wang, Y.; Wu, C.; Zhang, H.; Zhang, J.; Tomsia, A. P.; Jiang, L.; Cheng, Q. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2020, 117, 8727. doi: 10.1073/pnas.1916610117

    39. [39]

      Cui, W.; Li, M.; Liu, J.; Wang, B.; Zhang, C.; Jiang, L.; Cheng, Q. ACS Nano 2014, 8, 9511. doi: 10.1021/nn503755c

    40. [40]

      Wan, S. J.; Peng, J. S.; Li, Y. C.; Hu, H.; Jiang, L.; Cheng, Q. F. ACS Nano 2015, 9, 9830. doi: 10.1021/acsnano.5b02902

    41. [41]

      Degtyar, E.; Harrington, M. J.; Politi, Y.; Fratzl, P. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12026. doi: 10.1002/anie.201404272

    42. [42]

      Huang, X.; Zeng, Z.; Zhang, H. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 1934. doi: 10.1039/c2cs35387c

    43. [43]

      Liu, Y.; Rodrigues, J. N. B.; Luo, Y. Z.; Li, L.; Carvalho, A.; Yang, M.; Laksono, E.; Lu, J.; Bao, Y.; Xu, H.; et al. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 828. doi: 10.1038/s41565-018-0178-z

    44. [44]

      Dong, X.; Fu, D.; Fang, W.; Shi, Y.; Chen, P.; Li, L. J. Small 2009, 5, 1422. doi: 10.1002/smll.200801711

    45. [45]

      Das, B.; Voggu, R.; Rout, C. S.; Rao, C. N. Chem. Commun. 2008, 5155. doi: 10.1039/b808955h

    46. [46]

      Su, Y. H.; Wu, Y. K.; Tu, S. L.; Chang, S. J. Appl. Phys. Lett. 2011, 99, 163102. doi: 10.1063/1.3653284

    47. [47]

      Ni, H.; Xu, F.; Tomsia, A. P.; Saiz, E.; Jiang, L.; Cheng, Q. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 24987. doi: 10.1021/acsami.7b07748

    48. [48]

      Gong, S.; Cui, W.; Zhang, Q.; Cao, A.; Jiang, L.; Cheng, Q. ACS Nano 2015, 9, 11568. doi: 10.1021/acsnano.5b05252

    49. [49]

      Wan, S.; Li, Y.; Peng, J.; Hu, H.; Cheng, Q.; Jiang, L. ACS Nano 2015, 9, 708. doi: 10.1021/nn506148w

    50. [50]

      Wang, J.; Cheng, Q.; Lin, L.; Jiang, L. ACS Nano 2014, 8, 2739. doi: 10.1021/nn406428n

    51. [51]

      Wan, S.; Xu, F.; Jiang, L.; Cheng, Q. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1605636. doi: 10.1002/adfm.201605636

    52. [52]

      Cheng, Q.; Wu, M.; Li, M.; Jiang, L.; Tang, Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 3750. doi: 10.1002/anie.201210166

    53. [53]

      Song, P.; Xu, Z.; Wu, Y.; Cheng, Q.; Guo, Q.; Wang, H. Carbon 2017, 111, 807. doi: 10.1016/j.carbon.2016.10.067

    54. [54]

      Gong, S.; Jiang, L.; Cheng, Q. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 17073. doi: 10.1039/c6ta06893f

    55. [55]

      Gong, S.; Zhang, Q.; Wang, R.; Jiang, L.; Cheng, Q. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 16386. doi: 10.1039/c7ta03535g

    56. [56]

      Ming, P.; Song, Z.; Gong, S.; Zhang, Y.; Duan, J.; Zhang, Q.; Jiang, L.; Cheng, Q. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 21194. doi: 10.1039/c5ta05742f

    57. [57]

      Gong, S.; Wu, M.; Jiang, L.; Cheng, Q. Mater. Res. Express 2016, 3, 075002. doi: 10.1088/2053-1591/3/7/075002

    58. [58]

      Wan, S.; Hu, H.; Peng, J.; Li, Y.; Fan, Y.; Jiang, L.; Cheng, Q. Nanoscale 2016, 8, 5649. doi: 10.1039/c6nr00562d

    59. [59]

      Zhang, Q.; Wan, S.; Jiang, L.; Cheng, Q. Sci. China: Technol. Sci. 2017, 60, 758. doi: 10.1007/s11431-016-0529-3

    60. [60]

      Wan, S.; Chen, Y.; Wang, Y.; Li, G.; Wang, G.; Liu, L.; Zhang, J.; Liu, Y.; Xu, Z.; Tomsia, A. P. Matter 2019, 1, 389. doi: 10.1016/j.matt.2019.04.006

    61. [61]

      Kumar, A.; Sharma, K.; Dixit, A. R. J. Mater. Sci. 2018, 54, 5992. doi: 10.1007/s10853-018-03244-3

    62. [62]

      Domun, N.; Hadavinia, H.; Zhang, T.; Sainsbury, T.; Liaghat, G. H.; Vahid, S. Nanoscale 2015, 7, 10294. doi: 10.1039/c5nr01354b

    63. [63]

      Chandrasekaran, S.; Sato, N.; Tölle, F.; Mülhaupt, R.; Fiedler, B.; Schulte, K. Compos. Sci. Technol. 2014, 97, 90. doi: 10.1016/j.compscitech.2014.03.014

    64. [64]

      Deville, S.; Saiz, E.; Nalla, R. K.; Tomsia, A. P. Science 2006, 311, 515. doi: 10.1126/science.1120937

    65. [65]

      Munch, E.; Launey, M. E.; Alsem, D. H.; Saiz, E.; Tomsia, A. P.; Ritchie, R. O. Science 2008, 322, 1516. doi: 10.1126/science.1164865

    66. [66]

      Bouville, F.; Maire, E.; Meille, S.; Van de Moortele, B.; Stevenson, A. J.; Deville, S. Nat. Mater. 2014, 13, 508. doi: 10.1038/nmat3915

    67. [67]

      Bai, H.; Chen, Y.; Delattre, B.; Tomsia, A. P.; Ritchie, R. O. Sci. Adv. 2015, 1, e1500849. doi: 10.1126/sciadv.1500849

    68. [68]

      Qiu, L.; Liu, J. Z.; Chang, S. L.; Wu, Y.; Li, D. Nat. Commun. 2012, 3, 1241. doi: 10.1038/ncomms2251

    69. [69]

      Gao, H. L.; Zhu, Y. B.; Mao, L. B.; Wang, F. C.; Luo, X. S.; Liu, Y. Y.; Lu, Y.; Pan, Z.; Ge, J.; Shen, W.; et al. Nat. Commun. 2016, 7, 12920. doi: 10.1038/ncomms12920

    70. [70]

      Picot, O. T.; Rocha, V. G.; Ferraro, C.; Ni, N.; D'Elia, E.; Meille, S.; Chevalier, J.; Saunders, T.; Peijs, T.; Reece, M. J.; et al. Nat. Commun. 2017, 8, 14425. doi: 10.1038/ncomms14425

    71. [71]

      Si, Y.; Wang, X.; Dou, L.; Yu, J.; Ding, B. Sci. Adv. 2018, 4, eaas8925. doi: 10.1126/sciadv.aas8925

    72. [72]

      Ferraro, C.; Garcia-Tuñon, E.; Rocha, V. G.; Barg, S.; Fariñas, M. D.; Alvarez-Arenas, T. E. G.; Sernicola, G.; Giuliani, F.; Saiz, E. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 1636. doi: 10.1002/adfm.201504051

    73. [73]

      Zhang, H.; Cooper, A. I. Adv. Mater. 2007, 19, 1529. doi: 10.1002/adma.200700154

    74. [74]

      Riblett, B. W.; Francis, N. L.; Wheatley, M. A.; Wegst, U. G. K. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 4920. doi: 10.1002/adfm.201201323

    75. [75]

      Peng, J.; Huang, C.; Cao, C.; Saiz, E.; Du, Y.; Dou, S.; Tomsia, A. P.; Wagner, H. D.; Jiang, L.; Cheng, Q. Matter 2019, 2, 220. doi: 10.1016/j.matt.2019.08.013

    76. [76]

      Huang, C.; Peng, J.; Wan, S.; Du, Y.; Dou, S.; Wagner, H. D.; Tomsia, A. P.; Jiang, L.; Cheng, Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 7636. doi: 10.1002/anie.201902410

    77. [77]

      Huang, C.; Peng, J.; Cheng, Y.; Zhao, Q.; Du, Y.; Dou, S.; Tomsia, A. P.; Wagner, H. D.; Jiang, L.; Cheng, Q. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 2787. doi: 10.1039/c8ta10725d

    78. [78]

      张静, 王丽娜, 陈晓飞, 王玉峰, 牛成艳, 吴立新, 唐智勇. 物理化学学报, 2020, 36, 1912002. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912002Zhang, J.; Wang, L. N.; Chen, X. F.; Wang, Y. F.; Niu, C. Y.; Wu, L. X.; Tang, Z. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1912002. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912002

    79. [79]

      李凯旋, 张泰隆, 李会增, 李明珠, 宋延林. 物理化学学报, 2020, 36, 1911057. doi: 10.3866/PKU.WHXB201911057Li, K. X.; Zhang, T. L.; Li, H. Z.; Li, M. Z.; Song, Y. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1911057. doi: 10.3866/PKU.WHXB201911057

    80. [80]

      陈召龙, 高鹏, 刘忠范. 物理化学学报, 2020, 36, 1907004. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004Chen, Z. L.; Gao, P.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1907004. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  4
  • 文章访问数:  102
  • HTML全文浏览量:  22
文章相关
  • 发布日期:  2022-05-15
  • 收稿日期:  2020-05-05
  • 接受日期:  2020-07-10
  • 修回日期:  2020-07-10
  • 网络出版日期:  2020-07-14
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章