天津科技大学《IJBM》：综述！纳米纤维素和石墨烯柔性复合材料的最新研究进展

成果简介

近年来，为了追求高性能纳米柔性电子复合材料，研究人员开始关注纳米纤维素-石墨烯复合材料。纳米纤维素因其优异的性能和独特的结构（如可再生性、可生物降解性和生物相容性）而受到广泛关注。然而，纳米纤维素材料缺乏导电性，这限制了其在柔性电子产品中的应用。另一方面，石墨烯具有显著的特性，包括高比表面积、强大的机械强度和高导电性，使其成为一种前景广阔的碳基纳米材料。因此，人们加大了对石墨烯-纳米纤维素柔性电子复合材料制备的研究力度。虽然已有关于纳米纤维素和石墨烯应用的研究，但关于纳米纤维素/石墨烯在柔性电子复合材料中的应用仍然缺乏全面的信息。

本文，天津科技大学Ting Xu、解洪祥、司传领 教授、奥本大学Haishun Du等研究人员在《INT J BIOL MACROMOL》期刊发表名为“Nanocellulose-graphene composites: Preparation and applications in flexible electronics”的综述，探讨了纳米纤维素/石墨烯柔性电子复合材料及其应用的最新进展。本文首先从复合膜、气凝胶和水凝胶三个方面介绍了纳米纤维素/石墨烯柔性电子复合材料的制备。其次，综述了纳米纤维素/石墨烯柔性电子复合材料的最新应用，包括传感器、超级电容器和电磁屏蔽。最后，讨论了这一新兴领域的挑战和未来方向。

图文导读

图1.纤维素、CNF、CNC和BC的结构示意图

如图2所示，2016-2023 年间，在 Web of Science 数据库中以 “CNF/石墨烯用于传感器 “或 “CNC/石墨烯用于超级电容器 “或 “BC/石墨烯用于电磁干扰屏蔽 “为关键词进行研究，发现共发表文献 503 篇。因此，本文旨在总结纳米纤维素/石墨烯柔性复合材料的合成策略、工作机理及其在柔性电子中的应用进展。我们首先总结了将纳米纤维素和石墨烯复合材料制备成薄膜、气凝胶和水凝胶的合成策略。随后，我们总结了它们的复合材料在柔性电子产品中的应用，尤其是在超级电容器、传感器和电磁屏蔽中的应用。

图2.Web of Science关于用于柔性电子的纳米纤维素-石墨烯复合材料的索引文件的数量

2. 1 纳米纤维素/石墨烯复合材料的制备

截至目前，纳米纤维素/石墨烯复合材料可以通过共混，组装和原位聚合等方式制备，以生产薄膜，气凝胶，水凝胶（图3）。其中，共混法是制备纳米纤维素-石墨烯复合材料研究最广泛的技术。该方法有利于获得更好的纳米级均匀分散体，但在蒸发过程中容易积累和聚集。与共混法相比，原位聚合可以保持材料的结构，同时保证纳米粒子的均匀纳米级分布，有利于制备水凝胶和气凝胶复合材料。虽然逐层组装（LBL）可以精确控制纳米复合材料的厚度和各种基材的均匀涂层，但该技术主要用于制备薄膜并且可以积累各种性能，但其较慢的层沉积使该过程相对耗时。总结了用于柔性电子的纳米纤维素和石墨烯复合材料制造的最新进展。在下一节中，纳米纤维素/石墨烯复合材料将从三个方面进行综述，分别包括薄膜、气凝胶和水凝胶。

图3.纳米纤维素-石墨烯的制备方法及应用

2.2 纳米纤维素-石墨烯复合材料的应用

纳米纤维素和石墨烯在许多领域获得了广泛的研究兴趣，包括柔性电子传感，能量存储，生物医学，屏障和包装， 紫外线和电磁屏蔽 ， 热管理 ，  以及吸附和分离技术.石墨烯-纳米纤维素复合材料的这些有趣特性鼓励研究人员进一步探索并释放其在各种应用中的潜力。将分别从传感器、超级电容器和电磁屏蔽等方面介绍纳米纤维素-石墨烯复合材料在不同领域的应用。

图4.（a）RGO/CA纤维膜制备示意图，（b）木质纤维素纳米原纤维柔性气体传感器制备示意图。（c）纤维素/rGO复合材料和纯纤维素的温度传感。（d） 碳气凝胶生产示意图。（e） 将GN-CNF@PVA和CNF/PVA凝胶合并的自愈行为;基于GN-CNF@PVA水凝胶的应变传感器记录的电流变化。

小结与展望

由纳米纤维素和石墨烯衍生的柔性复合材料是一类具有广泛应用前景的新型材料。本文综述了近年来纳米纤维素和石墨烯柔性复合材料的研究进展。介绍了纳米纤维素和石墨烯柔性复合材料成薄膜、气凝胶、水凝胶的制备方法。此外，还介绍了柔性复合材料在传感器、超级电容器和电磁屏蔽中的应用。纳米纤维素具有良好的机械强度，高比表面积和生物相容性。石墨烯具有良好的导电性、机械强度、高比表面积等特性。纳米纤维素和石墨烯的结合使复合材料优于单一材料。而且，纳米纤维素可以有效克服石墨烯容易积累的缺点。因此，纳米纤维素/石墨烯复合材料表现出优异的机械强度、延展性、生物相容性、导电性、吸附性和过滤能力。然而，纳米纤维素/石墨烯纳米复合材料的制备和应用仍面临一些挑战，总结如下：

(1)石墨烯和纳米纤维素的高成本仍然是大规模应用的主要瓶颈。此外，对于高质量和均匀性的纳米纤维素/石墨烯纳米复合材料的大规模生产来说，这是一个挑战。因此，需要付出更多的努力来开发大规模和低成本的制造方法来生产高质量的纳米纤维素/石墨烯复合材料。

(2)纳米纤维素是一种电绝缘体，纳米纤维素的引入会降低复合材料的导电性，不利于其在柔性电子器件中的应用。纳米纤维素的碳化已被研究以提高其导电性。然而，碳化温度非常高，可能会对复合材料的力学性能产生负面影响。因此，提高两种组分之间的协同效应对进一步提升纳米纤维素/石墨烯复合材料的性能尤为重要。

(3)当纳米纤维素/石墨烯复合气凝胶材料应用于柔性电子器件时，三维网络结构有利于器件性能。然而，这些气凝胶复合材料大多通过冷冻干燥形成。该技术生产时间长，能耗高，限制了其规模化生产。因此，进一步优化复合气凝胶材料的加工策略需要付出更多的努力。

文献：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.126903