纳米纤维素/黑磷/聚丙烯酰胺凝胶电极的制备及其光响应性能研究
摘要：先进功能纳米材料的迅速发展为开发高性能储能设备和多功能传感器提供了平台。其中，二维纳米材料的出现更是引起了不同科研人员的强烈兴趣。二维纳米材料由于其超薄的结构、大的比表面积、优异的热导率和电子传导性，与大块材料相比具有许多优势，如灵敏的光响应性和强大的机械柔韧性。绿色环保可降解的纳米纤维素纤维（Cellulose nanofibers，CNFs），因其在长度、纵横比和比表面积上的巨大优势，常被用于复合材料中的增强相，又因其高强度、高结晶度和高弹性模量的性质，使其兼具生物相容性和生物可降解性，广泛用于凝胶领域；黑磷（Black phosphorus，BP）作为二维光电半导体材料，由于其独特的各向异性微观构造，使其在光电传感器邻域展现出卓越的应用潜力；聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAAM）的亲水性和结构中的大量酰氨基使得聚丙烯酰胺水凝胶环保无毒且具有极佳的生物相容性。本文结合国内外关于柔性传感器和纳米纤维素等智能材料的研究成果，从二维纳米材料黑磷入手，制备复合水凝胶并探究纳米纤维素和聚丙烯酰胺对水凝胶的增强作用和复合电极材料的光响应特性。
关键词：黑磷、纳米纤维素、聚丙烯酰胺、水凝胶、光响应
Preparation of Nano-cellulose-Black Phosphorus-Polyacrylamide Gel Electrode
Abstract: The rapid development of advanced functional nanomaterials provides a platform for the development of high-performance energy storage devices and multifunctional sensors. Among them, the emergence of two-dimensional nanomaterials has aroused the intense interest of different researchers. Due to its ultra-thin structure, large specific surface area, excellent thermal conductivity and electronic conductivity, two-dimensional nanomaterials have many advantages compared with bulk materials, such as sensitive light responsiveness and strong mechanical flexibility. Environmentally friendly and degradable nano cellulose, because of its huge advantages in length, aspect ratio and specific surface area, is often used as a reinforcing phase in composite materials. In addition, its high strength, high crystallinity and the properties of high elastic modulus make it have both biocompatibility and biodegradability and are widely used in the field of gels. As a two-dimensional optoelectronic semiconductor material, lack phosphorus (BP) exhibits excellent application potential in the neighborhood of photoelectric sensors due to its unique anisotropic microstructure. The hydrophilicity of polyacrylamide (PAAM) and the large number of amido groups in the structure make polyacrylamide hydrogels environmentally friendly, non-toxic and with excellent biocompatibility. In this paper, combining the research results of smart materials such as flexible sensors and nano-cellulose at home and abroad, starting from the two-dimensional nano-material black phosphorus, composite hydrogels are prepared. Besides, it explores the enhancement effect of nanocellulose and polyacrylamide on the hydrogel and the light response characteristics of composite electrode materials.
Keywords: black phosphorus; nanocellulose; polyacrylamide; hydrogel; light response
1.柔性传感器
柔性传感器，主要由柔性材料制成，柔韧性极佳，可以任意拉伸，自由弯曲以及反复折叠。它的结构形式灵活多样，在检测被测物体时，操作十分简便[1]。其中，光电传感器是基于光电效应，将被测信号转化为光信号，再将光信号转化为电信号的一种器件。光电传感器虽然结构简单，但它无需接触、反应迅速、精度高且性能可靠，因此被广泛应用于检测和控制中。近十几年来，技术的创新与科研的不断进步使柔性可穿戴传感器发展迅速，在个性化医疗、人机交互和智能机器人等方面发展势头迅猛。柔性复合材料，利用高新技术将不同性质的材料重新组合制成的优化新材料，将大大提高柔性传感器的可拉性，柔韧性和耐久性[2]。纳米纤维素纤维（Cellulose nanofibers，CNFs），由纤维素制得的绿色环保，可生物降解的高分子材料。其主要制备方法有三种，一是酸水解法，得到的纳米纤维素具备较好的强度和光学性能；二是机械瓦解法，得到的纳米纤维素刚度较高；三是TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基）氧化法，得到的TOCNFs成膜性良好。此外，TOCNFs因为不必做任何表面预处理且电解质吸收性好，相对于传统基材，更适合做柔性传感器的基材，是绿色柔性传感器的光明未来[3]。黑磷（Black phosphorus，BP）纳米片是一种新型的二维纳米材料，以其迷人的电学、光学和热学性质受到了广泛的关注，具有宽带隙特点（0.2 eV-3.2 eV）。BP纳米片在整个可见光区域具有广泛的近红外吸收和光热转换性能、层状BP还有足够高的载流子迁移率，因此具有独特的表面特性和光电特性。但分层BP仍然面临着一个巨大的障碍。当暴露于空气环境或水溶液中时，层状BP会发生严重降解，逐渐失去原有的性能。为此，使用稳定性优异的纳米材料或聚合物作为屏障，阻止水和氧接近纳米BP，物理封装不仅有效地提高了纳米BP在环境中的化学稳定性，同时也保留了纳米BP的原始结构和性能。采用聚多巴胺包覆BP纳米片，制备TOCNFs/BP@PDA/PAM复合水凝胶。利用PDA中丰富的酚羟基，改性后的BP纳米片还可以通过氢键作用作为聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）链的物理交联剂，从而显著提高凝胶的力学性能，PAM是一种极易溶于水，热稳定性良好，絮凝性优异的高分子聚合物，能与纳米纤维素纤维形成有效交联网络，从而封存活性物质黒磷，阻止其降解。本实验欲探究TOCNFs和BP对PAM凝胶的增强作用，和复合凝胶电极材料的光响应特性。本综述重点在介绍各组分的特性，和它们复合材料的国内研究进展，通过本综述来探究其复合的可能性和复合机理，从而制定可行的实验方案，并为复合材料找到可以应用的方向。
2.国内外研究情况
2.1纳米纤维素
纤维素是自然界中最丰富的生物聚合物，具有可再生性，生物降解性和无毒性等多种特性。在木材中，纤维素的天然状态（称为纤维素I）与氢键的结合力较弱，因此可能不会局部高度有序。相反，通过化学溶解和再沉积或在称为丝光处理的过程中生成的再生纤维素（纤维素II）与纤维素I相比，具有改进的氢键结合方式，并且通常更稳定。有序和无序纤维素的比例取决于样品的来源以及用于制备样品的化学过程[4]。将纤维素分子置于纳米尺寸范围内设计重组，创造出的新型纳米材料，因为其优异的功能，正逐渐成为纤维素科学的热门领域。由羟基控制的纳米纤维素表面积可以与多个官能团和生物活性分子共价或非共价结合。此外，这种棒状纳米载体的大小范围约为50-200 nm[5]。纳米纤维素绿色环保，可再生且自带羟基亲水性好，适合作为增强相做柔性可穿戴传感器的基材，增强其强度和韧性。随着全球气候变化和资源短缺的出现，近年来，人们越来越关注环保材料。纤维素作为取之不尽用之不竭的天然高分子材料，广泛应用于纺织业、造纸业、化工业等传统工业，以及纳米复合材料、传感器等新兴工业。国内外的科学家们都积极开展研究，收获了无数成果[6]。
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