石墨烯基纳米材料因其出色的电子和机械特性，被广泛应用于太阳能电池、光电探测器和传感器等电子设备。石墨烯的大比表面积和化学功能化表面使其在传感器中具有高灵敏度和选择性。闪蒸焦耳加热（FJH）技术能够大规模生产高纯度的碳黑衍生闪蒸石墨烯（CBFG），这一过程无需溶剂且成本效益高。为了进一步提升传感器性能，研究者探索了将石墨烯与聚(o-甲氧基苯胺)（POMA）结合的复合材料。POMA作为一种导电聚合物，通过氧化聚合合成，具有优异的加工性和溶解性，且保持了与聚苯胺相似的光学、机械和电子特性。这种石墨烯和POMA的结合不仅增强了导电墨水的电导率，还为电子设备和传感器提供了更高性能的涂层，解决了传统金属基导电墨水成本高和易氧化的问题。本研究通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术和氧化聚合方法，开发了一种新型的导电墨水，旨在提高电子设备和传感器的性能，同时降低生产成本。
文章简介
近日，莱斯大学James M. Tour教授研究团队在Surfaces and Interfaces期刊发表了题为“Flash graphene and poly(o-methoxy aniline) for the composition of a solvent-based conductive ink”的论文。本研究通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术开发了一种由碳黑衍生的闪蒸石墨烯（CBFG）和聚(o-甲氧基苯胺)（POMA）组成的导电墨水，以应用于电子设备。研究评估了这两种前体的结构和形貌，并探究了含有CBFG、POMA及其组合的墨水涂层的电导率。通过2^3因子设计实验，研究了各组分浓度对墨水电导率（EC）的影响。结果表明，当石墨烯、POMA和粘合剂的浓度分别为40.0、2.0和4.0 mg/L时，所得薄膜的电导率最高，约为0.768 S/m。尽管还需要进一步研究以探索墨水在不同基材上的柔韧性和附着性，但这种基于溶剂和有机物的导电墨水不仅提供了环境效益，还增强了传感器的性能。
图文解读
本研究详细探究了碳黑衍生的闪蒸石墨烯（CBFG）和聚(o-甲氧基苯胺)（POMA）在导电墨水中的协同效应。导电墨水作为电子印刷和传感器制造的关键材料，其性能优化对于推动柔性电子和可穿戴设备的发展具有重要意义。
图1 展示了CBFG合成的FJH系统设置，包括电流的控制和石墨烯的制备过程。通过不同的电压和占空比设置，实现了CBFG的高效合成，为后续墨水制备提供了高质量的原料。
图2 描述了POMA粉末的合成过程，涉及o-苯胺的氧化聚合反应。通过精确控制反应条件，获得了具有良好电导性的POMA粉末。
图3 展示了导电墨水的生产流程，包括CBFG、POMA和粘合剂的混合、搅拌和超声处理，最终通过旋转蒸发和球磨工艺，制备出适合印刷的墨水。
图4 通过拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）对CBFG的结构和组成进行了表征，确认了其高纯度和优异的晶体结构。
图5 通过拉曼光谱的洛伦兹拟合，进一步证实了CBFG的单层或少层结构特征。
图6 通过X射线衍射（XRD）分析，揭示了CBFG的涡轮层状结构和层间距的变化。
图7 通过扫描电子显微镜（SEM）技术，展示了CBFG粉末的微观形貌，揭示了其褶皱和层叠的结构特征。
图8 利用透射电子显微镜（TEM）图像，进一步观察到CBFG的晶格条纹，证明了其良好的结晶性。
图9 展示了POMA的XRD图案，反映了其半晶态结构。
图10 通过XPS分析，揭示了POMA的元素组成和化学状态。
图11 通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，展示了POMA的化学结构。
图12 通过SEM图像，展示了POMA的表面形貌。
图13 通过BET分析，比较了POMA和CBFG的比表面积，并展示了CBFG对甲基蓝染料的吸附性能。
图14 通过Pareto图和响应面分析，展示了实验设计的结果和优化的墨水配方。
本研究不仅展示了CBFG和POMA在导电墨水中的优异表现，还为进一步优化墨水配方和提高印刷电子设备的性能提供了科学依据。
总结与展望
在本研究中，研究人员成功地利用超快且无溶剂的闪光焦耳加热法合成了碳黑衍生的闪光石墨烯（CBFG）。制备出的CBFG由涡轮层状石墨烯片组成，在光谱学上表现出类似单层石墨烯的光学特性。这种涡轮层状CBFG能够轻松地分散在乙醇溶液中，形成稳定、高浓度的浆料。同时，通过使用盐酸作为掺杂剂，通过氧化聚合反应成功合成了聚(o-甲氧基苯胺)（POMA）。对CBFG和POMA的结构和形貌进行了详细的研究，发现制备的CBFG具有高比表面积，并且作为吸附剂在吸附甲基蓝染料方面表现出色。CBFG的易合成性和显著特性使其成为组成导电墨水的理想材料。而POMA粉末虽然比表面积较低，但在墨水中应用时仍对提高墨水的电导率（EC）做出了一定的贡献。
通过单独使用和结合使用这两种材料，研究人员成功配制了一种导电墨水。实验结果显示，当CBFG、POMA和粘合剂的浓度分别为40.0 mg/L、2.0 mg/L和4.0 mg/L时，墨水的电导率达到了最高值0.768 S/m。这一结果不仅证明了CBFG和POMA在导电墨水中的应用潜力，也为进一步优化墨水配方和提高其在电子设备中的应用性能提供了重要参考。
展望未来，本研究为导电墨水的制备提供了新的思路和方法。CBFG和POMA的结合使用不仅提高了墨水的电导率，还可能带来其他性能的提升，如柔韧性、附着力和环境稳定性。此外，考虑到CBFG的高比表面积和POMA的独特化学性质，这种导电墨水在传感器、电子印刷和智能纺织品等领域的应用前景广阔。未来研究可以进一步探索墨水在不同基材上的印刷性能，优化其在实际应用中的可靠性和耐用性。同时，深入研究墨水的微观结构和电学性质之间的关系，将有助于开发出更高性能的导电墨水，推动电子设备和智能系统的发展。
文章链接
Barbara S. Damasceno, Anderson F.V. da Silva, Lucas Eddy, Arthur N. de Melo, Jacob L. Beckham, Chi Hun Choi, Yimo Han, James M. Tour, Ana Cláudia V. de Araújo, Gilmar P. Thim, Argemiro S. da Silva Sobrinho, Andre L.de J. Pereira, Douglas M.G. Leite. Flash graphene and poly(o-methoxy aniline) for the composition of a solvent-based conductive ink. Surfaces and Interfaces, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.surfin.2024.104427.
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