文摘gydF4y2Ba
聚合物已被广泛用于低密度、低成本、耐腐蚀、容易设计、加工。添加纳米材料在聚合物矩阵研究了很长一段历史由于其增强聚合物的性质,如导电性、导热性、耐蚀性和耐磨性。二维材料,纳米材料的一个新类,一直深入研究近年来作为聚合物复合材料的填料,可以极大地提高性能,甚至极其微小的加载。综述,首先,准备和修改方法的二维材料,如石墨烯,氧化石墨烯,六角氮化硼,作为填料对聚合物复合材料组织。相关的二维材料在聚合物的分散方法,二维材料的表面处理,2 d材料和聚合物之间的界面结合与讨论。其次,2 d材料/聚合物复合材料的应用在锂离子电池储能分隔符和超级电容器进行了总结。最后,我们得出结论的挑战准备2 d材料/聚合物复合材料,和未来的角度使用这类新的复合材料也被讨论。gydF4y2Ba
1。引入聚合物复合材料gydF4y2Ba
聚合物复合材料可以被定义为复合材料由两个以上的阶段,通常是指聚合物/聚合物或填料(纤维、金属等)的聚合物复合材料(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。相比传统材料,如陶瓷和粘土,聚合物复合材料开发。聚合物复合材料在各个领域有着重要的应用,如电子(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba),食品包装行业(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba),医药行业(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)等。随着科学技术的快速发展,要求更好的性能的材料也增加。传统的高分子材料制成的一个单独的组件无法满足高综合性能不断增长的需求。例如,聚合物通常有一个熔化温度范围100 - 250°C,这意味着他们中的大多数并不适合在高温下使用。因此,将添加剂纳入聚合物矩阵的想法,提出了可以极大地提高聚合物的性能。例如,若林史江et al。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)公布杨氏模量显著提高通过添加石墨(2.5 wt %, 1870 MPa)到整洁的PP矩阵(910 MPa)。在各种应用领域所取得的进展的基础上,通过添加无机材料这个概念上的创新/金属聚合物基质吸引了广泛的研究兴趣。gydF4y2Ba
与传统的聚合物相比,聚合物复合材料表现出增强属性在各领域(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。大量的研究显示高机械性能的改善[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba],导电性[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba13gydF4y2Ba),导热系数(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba),耐腐蚀(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba),和耐磨性gydF4y2Ba16gydF4y2Ba),甚至把少量的添加剂到聚合物基质。这些属性使其适用于不同领域的商业化、热传导和耗散等设备(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba],resist-memory设备[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba),能源储存(gydF4y2Ba19gydF4y2Ba)等。金属和矿物质等传统填料在宏观尺度,已广泛用于各种应用程序。然而,这些添加剂不能显著改善它们之间的属性由于有限的界面结构和矩阵。以进一步提高复合材料的性能,减少填料为微尺度和纳米尺度的大小应该的主要策略之一,因为他们的大表面积和良好接触聚合物(gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。罗伊和Komarneni首先提出了聚合物纳米复合材料的概念在1984年,它被定义为复合材料中至少一个的分散阶段在100海里,包括碳纳米管(碳纳米管),富勒烯纳米粒子等。gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。这些材料非常适合与聚合物混合形成聚合物纳米复合材料。事实上,最早的报告聚合物纳米复合材料可以追溯到1800年代中期,当炭黑混合成硫化橡胶在汽车轮胎的应用。相比之下,与其他聚合物或宏观尺度材料混合到一个聚合物,聚合物纳米复合材料表现出增强的机械(gydF4y2Ba22gydF4y2Ba),光(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba),和电气性能gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。与此同时,随着传统填料降低到纳米级的尺寸,如nano-SiOgydF4y2Ba2gydF4y2Ba(gydF4y2Ba25gydF4y2Ba)和nano-CaCOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba(gydF4y2Ba26gydF4y2Ba),他们表现出更好的分散性聚合物相比,大规模的粒子,和更好的属性增强的效果。因此,只有少量的纳米材料需要使用的属性,可以在填料降低成本和避免很多副作用归因于高填料含量。gydF4y2Ba
二维(2 d)材料是一种新型的片状纳米材料,通常显示横向尺寸从几百纳米到几个微米,平均厚度< 5纳米(gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。这些材料有很大的表面积的比例高的原子暴露在表面,使他们有一个很好的与矩阵,甚至少量的交互可以大大提高聚合物的性能。此外,他们的丰富的物种使他们合适的填料用于不同的应用程序(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。据报道,小加载(< 1 - 5 wt %)的二维材料,如层状硅酸盐或石墨烯,在聚合物基质中,使聚合物复合材料的力学性能提高到~ 200%相比,整洁的聚合物(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。到目前为止,各种二维材料制备和使用的聚合物复合材料,包括字母(gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba),氧化石墨烯(去)gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba),六角氮化硼(h-BN) [gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba),过渡金属dichalcogenides (TMDCs) [gydF4y2Ba32gydF4y2Ba),金属有机框架(mof) [gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]等。本文中,我们将关注最新进展2 d材料制造的聚合物复合材料。他们的应用程序在能量存储方面也将被讨论。gydF4y2Ba
典型的流程准备2 d材料聚合物复合材料包括剥落了2 d材料的制备及其分散到聚合物基质。对于二维材料的制备,剥离过程是削弱或打破债券之间的交互层(gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。扩张的夹层空间夹层,滑脱层之间通过应用剪切力发生。直到现在,有各种各样的方法去角质分层材料包括intercalation-assisted剥落(gydF4y2Ba35gydF4y2Ba,gydF4y2Ba36gydF4y2Ba),液相剥离(gydF4y2Ba36gydF4y2Ba],蚀刻辅助剥离[gydF4y2Ba37gydF4y2Ba),球磨(gydF4y2Ba38gydF4y2Ba),电化学剥离(gydF4y2Ba39gydF4y2Ba),离子exchange-assisted剥落(gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]等。二维材料的剥离后,最重要的任务是确保他们甚至分散到聚合物基质。常用的方法是聚合物在溶剂溶解,然后将二维材料溶解聚合物溶液。然而,复杂的制造过程使最终产品昂贵的和有机溶剂有毒、有害,这是可伸缩的巨大挑战使用基于二维材料的聚合物复合材料。进一步优化制造过程的需要降低价格,减少环境污染。因此,综述了这一领域的现状和最新stratigies解决真正的挑战是非常必要的使用基于二维材料的聚合物复合材料。在下一节中,我们将首先介绍各种二维材料聚合物复合材料的制备方法。然后,属性增强不同类型的二维材料聚合物复合材料(石墨烯,h-BN,金属氧化物半导体gydF4y2Ba2gydF4y2Ba将总结和财政部)。第三,2 d材料/聚合物复合材料的应用为锂离子电池和超级电容器将总结。最后,去死皮和制备聚合物纳米复合材料将会面临的挑战和未来的角度讨论如何提高聚合物复合材料的性能将会结束。gydF4y2Ba
2。石墨烯- GO-Based聚合物复合材料gydF4y2Ba
石墨烯的历史可以追溯到2004年,当时诺沃肖洛夫et al。gydF4y2Ba41gydF4y2Ba)首先获得了一些层次化的石墨烯透明胶带转移特征技术和优良的电气性能。该里程碑的工作激发了石墨烯的基础研究和商业化。石墨烯是由碳原子紧密通过sp成二维蜂窝状晶格结构gydF4y2Ba2gydF4y2Ba杂化。这样的结构显示通用的物理和化学性质,如高载流子迁移率在室温(~ 10000厘米gydF4y2Ba2gydF4y2BaVgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)[gydF4y2Ba41gydF4y2Ba)、高杨氏模量(~ 1 TPa) (gydF4y2Ba42gydF4y2Ba),大理论比表面积(2630米gydF4y2Ba2gydF4y2BaggydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)[gydF4y2Ba43gydF4y2Ba)、低光吸收(~ 2.3%)gydF4y2Ba44gydF4y2Ba,高导热系数(~ 5000 WmgydF4y2Ba−1gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)[gydF4y2Ba45gydF4y2Ba]。去是一个重要的石墨烯的导数,得到强烈的氧化石墨的氧化。在氧化过程中,各种含氧基团如羧基、羟基、环氧团体等,介绍了表面上的字母(gydF4y2Ba43gydF4y2Ba]。尽管类似的二维结构,石墨烯,有完全不同的性质。例如,有一个更穷的导电性比石墨烯由于碳碳键从sp的变换gydF4y2Ba2gydF4y2Ba对spgydF4y2Ba3gydF4y2Ba杂交的强烈的氧化过程。石墨烯是不溶于水,展示优秀的在水中分散性由于大量的亲水表面含氧组。因此,石墨烯,显示不同的应用目的对聚合物复合材料。gydF4y2Ba
石墨烯的发展,走之前,碳纳米管是常用的作为聚合物复合材料的填料。制备碳纳米管的高成本及其聚合瓶颈限制他们的应用程序在聚合物复合材料gydF4y2Ba46gydF4y2Ba]。目前,石墨烯的大量生产和顺利已经解决了和他们的成本也可接受的商业应用程序(gydF4y2Ba47gydF4y2Ba,gydF4y2Ba48gydF4y2Ba]。因此,他们认为合适的填料取代碳纳米管聚合物复合材料。为了优化聚合物复合材料的性质,有必要使填料分散在聚合物基质和互动紧密。到目前为止,各种方法制备的石墨烯和GO-based聚合物纳米复合材料已经建立,包括混合解决方案(gydF4y2Ba49gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba51gydF4y2Ba),球磨(gydF4y2Ba38gydF4y2Ba,gydF4y2Ba52gydF4y2Ba],[原位聚合的方法gydF4y2Ba53gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba56gydF4y2Ba)等。下面这些方法的机制和原则将详细介绍从实验数据和增强的属性将审查。gydF4y2Ba
2.1。石墨烯聚合物复合材料gydF4y2Ba
2.1.1。石墨烯聚合物复合材料的制备方法gydF4y2Ba
有两个主要的策略来制造石墨烯聚合物复合材料:原位聚合和融化夹层gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。原位聚合是一种流行的方法制备石墨烯聚合物纳米复合材料。一般来说,石墨烯原位聚合是始于合适的单体,环氧树脂和苯胺等。对于一个典型的过程,加载的一个合适的引发剂,如室温离子液体(RTILs) [gydF4y2Ba57gydF4y2Ba),聚合与强大的剪切力发起对未经处理的片状石墨烯和环氧树脂。的as-exfoliated一些层次化的石墨烯nanosheets直接分散在环氧树脂。另一方面,需要选择合适的发起者为不同的聚合物。例如,过硫酸铵作为自由基代理启动苯胺氧化聚合的gydF4y2Ba58gydF4y2Ba]。除了高剪切力应用于复合材料、热、电化学聚合、辐射的其他有用的办法是启动的聚合单体制备石墨烯聚合物复合材料(gydF4y2Ba59gydF4y2Ba,gydF4y2Ba60gydF4y2Ba]。例如,阳极electropolymerization已经被用于聚合苯胺上石墨烯的论文通过直接应用电压的苯胺溶液与石墨烯的论文作为电极。这种方法被应用到准备各种石墨烯聚合物纳米复合材料,即。环氧树脂/石墨烯(gydF4y2Ba53gydF4y2Ba),聚偏二氟乙烯(PVDF) /石墨烯(图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)[gydF4y2Ba56gydF4y2Ba),聚(乙烯醇)(PVA) /字母gydF4y2Ba62年gydF4y2Ba)等。gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
融化夹层的方法,强大的剪切力和高温同时用于混合石墨烯和聚合物在熔融状态矩阵不使用有机溶剂(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。首先,热塑性聚合物在高温下融化。然后,在高剪切力的帮助下,石墨烯是由聚合物链间形成聚合物纳米复合材料(gydF4y2Ba63年gydF4y2Ba]。值得注意的是,使用这种方法只能处理热塑性聚合物。它有优势准备聚合物复合材料对于那些不能原位聚合。与此同时,值得注意的是,聚合物的分子量和2 d material-polymer交互融化夹层的方法是两个重要的因素。例如,确保良好的石墨烯分散到聚合物基质中,有必要降低聚合物的分子量,提高graphene-polymer交互。否则,合成高分子量的高熵将禁止填料的分散(gydF4y2Ba64年gydF4y2Ba]。从先前的报道,广泛的聚合物复合材料已经成功地使用这种方法,如聚苯乙烯(PS) /石墨烯(gydF4y2Ba65年gydF4y2Ba和PP /如gydF4y2Ba66年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
2.1.2。石墨烯聚合物复合材料的属性gydF4y2Ba
聚合物复合材料的填料影响导电性、导热性、力学性能和介电性能。石墨烯具有大的表面积和良好与聚合物基质的相互作用,这意味着少量的他们会导致显著改变性能(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。以石墨烯/ PVDF复合为例,介电常数达到340 0.2卷%的石墨烯在100赫兹和最高实现介电常数7940 1.2卷%的石墨烯在100赫兹gydF4y2Ba56gydF4y2Ba]。另一方面,得到聚合物复合材料的介电常数,传统陶瓷粉的加载需要极高,即。,超过50卷%。以3.0卷%作为另一个例子,PET-graphene复合石墨烯负载高导电性的~ 2.11 Sm展出gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba(图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)[gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba]。聚合物的热稳定性也可以极大地增强了石墨烯的一个小加载。0.05 wt %的投篮加载到PMMA显示玻璃化转变温度的增加(gydF4y2BaTgydF4y2BaggydF4y2Ba)到30°C。加载1 wt %,投篮进保利(丙烯腈)(PAN)增加gydF4y2BaTgydF4y2BaggydF4y2Ba46°C (gydF4y2Ba76年gydF4y2Ba]。与传统的碳基填料相比,如碳纳米管和如增强gydF4y2BaTgydF4y2BaggydF4y2Ba高得多,在聚合物基质中添加相同数量的石墨烯由于其二维结构和表面原子的大部分与聚合物相互作用矩阵。gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
2.2。GO-Based聚合物gydF4y2Ba
2.2.1。GO-Based聚合物复合材料的制备方法gydF4y2Ba
石墨烯聚合物复合材料有非常低的加载限制由于低溶解度的石墨烯在聚合物解决方案或融化。功能化来解决这些问题,一些非政府组织有良好的稳定的溶剂或融化,被用作填料聚合物复合材料做准备。混合GO-based聚合物复合材料的制备,为基础的解决方案是最方便的方法之一gydF4y2Ba77年gydF4y2Ba]。由于丰富的表面含氧官能团,非政府组织可以很容易分散在合适的溶剂,如二甲基甲酰胺(DMF)和N-methyl吡咯烷酮(NMP)。聚合物,如热塑性聚氨酯(TPU)和PVDF、可以溶解在有机溶剂。因此,nanosheets和聚合物可以直接在这些溶剂混合。通过蒸发溶剂,非政府组织可以均匀分散在聚合物基质。然而,使用昂贵的和有毒的有机溶剂,这方法制备聚合物复合材料是昂贵的,复杂,耗费时间。为了避免有机溶剂的可伸缩的使用,其他方法,如原位层状材料的剥离在聚合物基质中,已经开发出来。gydF4y2Ba
球磨是一种受欢迎的方法去角质2 d材料。对于一个典型的过程中,石墨氧化物作为起始原料,由剪切力或剥落了伟大的球直径不同,提供的动力来克服分层材料的层间范德华相互作用。石墨氧化物脱落率高,然后均匀地分散在聚合物(gydF4y2Ba78年gydF4y2Ba]。高能碰撞产生的激活的化学活性聚合物,帮助重组的原子在表面上的表面和修改。在这个过程中,添加合适的催化剂可以提高分散的进入矩阵。例如,草酸用于GO-phenolic树脂(PF)复合材料增加2 d材料和聚合物之间的相互作用矩阵(gydF4y2Ba79年gydF4y2Ba]。二维材料可以获得大量和官能团可以同时接枝等方法。gydF4y2Ba
2.2.2。GO-Based聚合物复合材料的性质gydF4y2Ba
非政府组织有丰富的氧化的表面官能团,可以与聚合物基质(有良好的互动gydF4y2Ba80年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba81年gydF4y2Ba]。因此,只有一个小加载可以显著提高聚合物的性能。通过使用溶液混合技术,形成了PVA /去综合表现出高杨氏模量的3.45绩点极低的载荷为0.7 wt %, 62%高于纯PVA聚合物基质(gydF4y2Ba62年gydF4y2Ba]。保利(烯丙胺盐酸盐)(PAH)去nanosheets作为填料,形成交联薄膜表现出巨大的弹性模量的增加,即。从3.64到18.31的绩点,gydF4y2Ba82年gydF4y2Ba]。去/环氧树脂复合材料的模量达到最大值4.2 ~ GPa当扩大浓度为1.5 wt % (gydF4y2Ba83年gydF4y2Ba]。值得注意,甚至同样的填料,由此产生的属性可以被明显不同由于分散性和矩阵和填料之间的相互作用。在这里,我们将使用/环氧树脂作为例子。通过原位聚合的方法,合成去/环氧复合显示导热系数增加了103%,相比之下,整洁的环氧(0.25 WmgydF4y2Ba−1gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba),加载2 wt % (gydF4y2Ba84年gydF4y2Ba]。类似的改进提出了在另一个实验中但甚至加载较低(gydF4y2Ba48gydF4y2Ba用四乙基五胺(涕巴)修改表。涕巴功能化的床单被三辊混合聚合方法。0.5 wt %的加载,这涕巴的多功能复合材料改性环氧基树脂表现出增强的热导率103%gydF4y2Ba85年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
2.3。三维石墨烯/聚合物复合材料gydF4y2Ba
2.3.1。Fabircation三维石墨烯/聚合物复合材料的方法gydF4y2Ba
虽然属性的增强各领域的报告,有几个二维石墨烯nanosheets的缺点,制约了石墨烯聚合物复合材料的发展。例如,π-π每个石墨烯片之间的相互作用引起的聚集和分散不均匀,这减少了比表面积和活跃的网站gydF4y2Ba86年gydF4y2Ba]。此外,石墨烯薄片的矩阵相互接触不良,因为他们分散在聚合物溶剂/融化。因此,组织二维石墨烯薄片连接大孔三维结构,即三维石墨烯,然后用聚合物填充这个结构是一个很好的方法来克服集聚问题[gydF4y2Ba87年gydF4y2Ba]。在复合材料相比,二维材料准备通过添加到聚合物基质中,二维材料在预成型的三维结构显示更好的接触。这个良好的接触将改善复合材料的性能,如导电性和导热性。因此,许多研究已经报道的合成三维石墨烯在聚合物结构和他们的应用程序(gydF4y2Ba88年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
冷冻干燥过程是最直接的方式为三维石墨烯复合材料的制备gydF4y2Ba89年gydF4y2Ba]。在极低的温度下,溶剂的二维石墨烯分散成为固体,这可能是在真空条件下升华。在升华过程中,石墨烯不会总由于小固体和石墨烯之间的界面能。通过使用这种策略,生成的三维结构的石墨烯并不堆栈或聚合在一起,导致大的表面积。聚合物可以充满三维石墨烯填料。例如,王et al。gydF4y2Ba90年gydF4y2Ba]报道的合成石墨烯气凝胶从水开始走下冷冻干燥方法。构建三维结构的石墨烯后,环氧树脂直接添加和渗透到初纺气凝胶在真空条件下,气凝胶形成石墨烯/环氧聚合物复合。gydF4y2Ba
水热法是另一种方便的方法来获取三维石墨烯填充聚合物(gydF4y2Ba91年gydF4y2Ba]。基本过程是基于原位聚合。首先,聚合物的水溶液加入去获得的说法。通过密封混合物倒入一个高压锅,石墨烯将转换为三维石墨烯含有聚合物的结构。3 d-graphene-based聚合物可以通过使用这种技术,由此产生的产品也可以直接应用于实际的设备(gydF4y2Ba92年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
化学汽相淀积(CVD)是另一种方法来准备三维石墨烯与互联网络结构。在CVD过程中,镍泡沫是首先用来生长石墨烯在高温(1000°C),然后填充聚合物。去除溶剂和腐蚀模板后,3 d graphene-polymer得到了复合材料(gydF4y2Ba93年gydF4y2Ba]。因为高质量的石墨烯,在3 d互连结构,材料表现出优秀的电气、热导率和优越的力学性能。然而,通过CVD制备石墨烯的高成本限制了其实际应用。gydF4y2Ba
2.3.2。三维石墨烯/聚合物复合材料的性质gydF4y2Ba
刘等人gydF4y2Ba。gydF4y2Ba准备一个3 d graphene-polypyrrole (PPy)复合石墨烯的聚合PPy热转换后,显示有前途的电化学性能。这个复合材料的比电容测量达到186 F / g,这是大约三倍的整洁的PPy [gydF4y2Ba91年gydF4y2Ba]。与三维石墨烯相比,3 d graphene-PPy比电容增加33%。纯属捏造的超级电容器表现出很强的驱动响应作为电化学致动器,证明其实际应用的能力。作为聚合物的另一个重要性质参数,3 d的导电性石墨烯/聚合物复合材料已被广泛讨论。贾等人gydF4y2Ba。gydF4y2Ba发现属性在各方面的改进,包括的导电性将CVD生长三维石墨烯嵌入环氧树脂(gydF4y2Ba93年gydF4y2Ba]。只有0.2 wt %加载三维石墨烯的导电性复合增长55%相比,整洁的环氧树脂(gydF4y2Ba93年gydF4y2Ba]。玻璃化转变温度也明显增加31°C (0.2 wt %的三维石墨烯),这是归因于优良的分散性和强键交互三维石墨烯的环氧树脂(图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)。3 d GO-based复合材料三维石墨烯的重要的衍生品。1.3 wt %的加载3 d进入环氧复合材料的热导率增加了148%,达到0.62 WmgydF4y2Ba−1gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba(gydF4y2Ba94年gydF4y2Ba]。三维结构和低的热阻导致增强复合材料的热导率很高。这些三维石墨烯表现出巨大的潜力相比传统的碳纳米管和石墨烯为聚合物填料。gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
3所示。其他2 d材料/聚合物复合材料gydF4y2Ba
3.1。h-BN /聚合物复合材料gydF4y2Ba
2 d h-BN与石墨烯(图也有类似的结构gydF4y2Ba4gydF4y2Ba),它显示了高导热、低介电常数和电导率。因此,它有一个潜在的使用条件,需要良好的导热和绝缘性能,如电子设备和热界面管理。他们的聚合物复合材料也被广泛认为是这些应用程序。h-BN-based复合材料作为热接口管理材料,荷载的增加将大大提高性能。以增强在导热系数为例,不同的研究显示了h-BN作为导热填料的潜力与不同类型的聚合物(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba96年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba98年gydF4y2Ba]。当加载h-BN 30 wt %,聚酰亚胺复合薄膜的热导率0.47 WmgydF4y2Ba−1gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba(gydF4y2Ba99年gydF4y2Ba]。同样的聚合物复合材料已经由其他方法表现出热导率3和7个WmgydF4y2Ba−1gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba的加载30和60卷% h-BN [gydF4y2BaOne hundred.gydF4y2Ba]。h-BN /环氧复合材料相似的结果也获得但稍微低加载33卷% (gydF4y2Ba101年gydF4y2Ba]。尽管高导热系数、高加载填料并不意味着好属性,良好的分散性和强相互作用的聚合物也对复合材料的性能至关重要。由于惰性表面,2 d h-BN与聚合物界面附着力差矩阵。为了克服这一挑战,有必要修改h-BN改善界面的表面附着力。几个策略被用来使职能化2 d h-BN,例如,PS、PMMA用于外套h-BN粒子,导致附着力增强[gydF4y2Ba101年gydF4y2Ba]。李等人gydF4y2Ba。gydF4y2Ba(gydF4y2Ba102年gydF4y2Ba]证明了热导率增强改性h-BN / polyetherimide (PEI)。同样的想法后涂层改性,h-BN粒子被聚酰亚胺(PI)进行预处理。然后PI-coated h-BN与裴矩阵混合形成复合。复合材料的热导率达到3.3 W mgydF4y2Ba−1gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba有60 wt %加载,而结果是2.6 W mgydF4y2Ba−1gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba没有修改。显然,由于改进的界面粘附,聚合物之间的联系,修改h-BN后h-BN更强。gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
3.2。金属氧化物半导体gydF4y2Ba2gydF4y2Ba/聚合物复合材料gydF4y2Ba
金属氧化物半导体gydF4y2Ba2gydF4y2Ba是另一个流行的层状材料,在结构上类似于石墨烯。它可以脱落成二维材料用物理或化学方法将层间的相互作用,即。,范德华力(gydF4y2Ba103年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba104年gydF4y2Ba]。作为一个知名的功能材料,gydF4y2Ba金属氧化物半导体gydF4y2Ba2gydF4y2Ba具有良好的电化学电容和催化特性,用于能量储存和催化应用(gydF4y2Ba105年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba106年gydF4y2Ba]。在这些应用程序中,有一个研究热点在锂离子电池用金属氧化物半导体(LIBs)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba作为阴极材料。获得性能良好的库,有必要设置一个合适的聚合物进入宿主MoS的画廊gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,方便插入和提取gydF4y2Ba+gydF4y2Ba离子。马等。gydF4y2Ba107年gydF4y2Ba]报道大规模制备合成金属氧化物半导体的策略gydF4y2Ba2gydF4y2Ba/ PPy复合材料。在原位聚合的过程中,金属氧化物半导体gydF4y2Ba2gydF4y2Ba是使用gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba甲苯磺酸然后吡咯单体补充道。吡咯单体分散在金属氧化物半导体gydF4y2Ba2gydF4y2Ba悬挂的协助下搅拌。后来,氧化剂投进混合物氧化化学复合材料。从报告中,特定的MoS电容gydF4y2Ba2gydF4y2Ba/ PPy综合达到553.7 g FgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba条件的1 ggydF4y2Ba−1gydF4y2Ba,这是近两倍比纯金属氧化物半导体gydF4y2Ba2gydF4y2Ba(235 F ggydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)。当放电电流密度提高到一个高价值的10 ggydF4y2Ba−1gydF4y2Ba,比电容保持在90% 1 g的结果gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba。肖等人gydF4y2Ba。gydF4y2Ba(gydF4y2Ba104年gydF4y2Ba]报道显著增强电容使用聚(环氧乙烷)(PEO) /金属氧化物半导体gydF4y2Ba2gydF4y2Ba复合材料。李的混合物gydF4y2BaxgydF4y2Ba金属氧化物半导体gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和PEO溶解在去离子水和用在一起,然后离心获得的复合材料。从实验中,加载5 wt % PEO的介质容量复合是简洁的金属氧化物半导体的2倍gydF4y2Ba2gydF4y2Ba正如之前报道的那样,显示一个类似的改进。gydF4y2Ba
3.3。财政部/聚合物复合材料gydF4y2Ba
mof类多孔材料有特殊的晶体结构,通常由含金属节点和由有机基团(gydF4y2Ba108年gydF4y2Ba]。财政部的有四种典型的类别,包括0 d为集群,1 d链,为图层2 d, 3 d框架(gydF4y2Ba109年gydF4y2Ba]。2 d MOF是小说的一种超薄nanosheets与大量的蛀牙接触表面上,其典型的厚度小于10纳米(gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba财政部内部的扩展π-conjugation nanosheets [gydF4y2Ba110年gydF4y2Ba)确保最高的电导率在其他类别的财政部报告(gydF4y2Ba111年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba112年gydF4y2Ba]。这让2 d mof适合下一代电子设备。gydF4y2Ba
在过去的二十年里,各种制备方法已经成熟,因此,大量的财政部已经合成具有不同的形态gydF4y2Ba113年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba114年gydF4y2Ba]。除了纯mof的合成和应用,研究人员还注意到MOFs-based复合材料与聚合物矩阵。2 d mof的多孔结构可用于气体分离和储存(gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]。此外,良好的2 d mof的灵活性给他们机会制造先进灵活的气体分离和存储设备。传统MOFs-based聚合物的制备方法包括两类:(1)财政部形成的模板聚合物(gydF4y2Ba112年gydF4y2Ba];(2)聚合物添加到presynthesized财政部与聚合(gydF4y2Ba115年gydF4y2Ba]。Calvez et al。gydF4y2Ba116年gydF4y2Ba]报道一种方便的方法一步合成MOFs-based聚合物复合材料。实验后沉淀聚合的想法,和高内相乳液(摔倒)担任单体形成polyHIPE与大孔结构。通过这种方法,选择合适的聚合物有很好的分散性MOF前体溶液中,导致多孔MOFs-polyHIPE复合材料。基于复合材料的多孔结构,有趣的是使用财政部作为填料形成聚合物气体分离膜。例如,Rodenas et al。gydF4y2Ba33gydF4y2Ba)表现出的选择性显著改善CHgydF4y2Ba4gydF4y2Ba/公司gydF4y2Ba2gydF4y2Ba通过合并MOF分离(CuBDC) nanosheets在聚酰亚胺。CH的选择性gydF4y2Ba4gydF4y2Ba到公司gydF4y2Ba2gydF4y2Ba已经增加到80%使用吗gydF4y2BansgydF4y2Ba-CuBDC / PI膜(图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba),这个值是60%纯PI膜。更有趣的发现在这工作,当上游压力增加,选择性也略有增加gydF4y2BansgydF4y2Ba-CuBDC / PI膜,而其他复合膜或纯PI膜选择性呈现相反的变化。巴赫曼等。gydF4y2Ba117年gydF4y2Ba]gydF4y2Ba选择一个更好的聚酰亚胺(6 fda-dam)合并mof NgydF4y2Ba2gydF4y2Ba(dobdc)形成聚合物膜,导致乙烯/乙烷的选择性和渗透性。加载的25 wt % NgydF4y2Ba2gydF4y2Ba(dobdc)纳米晶体(C的选择性gydF4y2Ba2gydF4y2BaHgydF4y2Ba4gydF4y2Ba/ CgydF4y2Ba2gydF4y2BaHgydF4y2Ba6gydF4y2Ba)的膜在大气压力5、分离的双重价值的使用6 fda-dam整洁的聚合物。与此同时,复合膜表现出极大的阻力在塑化塑化压力(~ 20条)。gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
4所示。二维材料/聚合物复合材料的应用在能源存储gydF4y2Ba
传统化石燃料来源,石油和煤炭等不可再生,对环境不友好。转换的可再生能源,如太阳能和风能,电力已成为一个热点研究课题。与此同时,要求这些交谈的存储能量效率高增加了,即提高功率密度和能量密度的设备。为了解决这个问题,储存能量到电化学设备的主要策略之一。二维材料已经广泛应用于电化学设备和展示了良好的表现。主要有两个原因:首先,操控2 d材料提供一个大的层间间距,方便插入和提取的离子,如李gydF4y2Ba+gydF4y2BaKgydF4y2Ba+gydF4y2Ba,gydF4y2Ba噢,gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba;第二,有更多的机会为离子绑定到活动网站的2 d材料由于其高理论比表面积。例如,石墨烯是一种最流行的二维材料,显示一个独特的结构,比表面积高,导电性。因此,石墨烯及其衍生物执行一个重要的角色在能源存储系统的应用。除了纯二维材料,研究二维材料聚合物复合材料也被应用于储能应用程序。在下一节中,我们将讨论使用聚合物基复合材料在受欢迎的能源存储系统中,(lsb),锂硫电池和超级电容器等。首先,我们将回顾2 d - base聚合物复合材料作为电池分离器的应用程序。然后,应用2 d - base聚合物复合材料作为超级电容器的电极材料将会总结。对于每一个方面,二维材料的主要发展历史和将讨论的挑战。gydF4y2Ba
4.1。Li-S电池分隔符gydF4y2Ba
库广泛应用在我们的日常生活中,如手机、笔记本电脑、电动汽车,由于其能量密度高、rechargeability,和良好的安全。在商业上使用的库,LiCoOgydF4y2Ba2gydF4y2Ba、石墨和聚合物薄膜(PVDF或PP)已被用来作为阴极,阳极和分离器,分别。这个自由的能量密度是150−190 W h公斤gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba,而结果可能是获得了~ 240 W h公斤gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba商业中(gydF4y2Ba118年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba119年gydF4y2Ba]。近年来,使用锂电池的车辆应用程序有许多研究关注,因为这种类型的电池系统在车辆将减少化石燃料的使用和合成空气污染也会减少。然而,对于车辆应用程序,更高的能量密度(600 - 1300 W h公斤gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)应提供gydF4y2Ba120年gydF4y2Ba]。因此,提出了许多先进的电池系统和研究,如Li-air电池和Li-S电池。gydF4y2Ba
作为最有前途的系统之一,Li-S电池计算的理论能量密度~ 2600 W h公斤gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba(gydF4y2Ba121年gydF4y2Ba),这是LiCoO的10倍gydF4y2Ba2gydF4y2Ba电池阴极。然而,航天飞机的影响硫是一种致命的限制Li-S电池的实际使用。形成多硫化物(李gydF4y2Ba2gydF4y2BaS)在循环将溶解在电解液,经过分离器,导致大幅减少容量和循环寿命的表现不佳Li-S细胞。更严重,Li-S电池将“死”。因此,有必要使用一个合适的分隔符,以防止聚硫化物的转移,确保正常的其他重要的离子扩散。尽管多孔聚合物膜广泛用于LIBs的分离器PVDF和PP等,这些都不是合适的候选人LSB系统。例如,页被认为是一个贫穷的膜材料由于其大孔隙大小(~ 100 nm),这不是足够的预防多硫化合物的运输。为了克服这个问题,周et al。gydF4y2Ba122年gydF4y2Ba]介绍了一个方法通过直接涂层石墨烯表面的PP分离器和聚合物复合膜在电流收集器(图中扮演了一个角色gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)。分离器上的区域涂覆的石墨烯提供一个有用的地方来存储多硫化合物溶解在电解液,制动聚硫扩散,因此增加Li-S电池的循环寿命。壮族et al。gydF4y2Ba123年gydF4y2Ba]报道小说ternary-layered分离器的结构通过整合全氟磺酸,PP,一起去。用去的原因是,有很多表面的官能团,如羧基和羟基,这表现出强烈排斥多硫化合物阴离子由于静电作用。电容的衰退表明显著减少0.18%的周期,每周期而减少纯PP分离器是0.34%。gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
4.2。超级电容器电极gydF4y2Ba
超级电容器是另一种类型的小说能源存储设备具有更高的功率密度(~ 1000 WkggydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)良好的循环稳定性和较低的能量密度比传统电池(gydF4y2Ba124年gydF4y2Ba]。基于功率密度大,超级电容器吸引了太多的关注在各种商业应用程序中,如运输和电梯。超级电容器可以根据不同的电荷存储机制分为两类,即。,electric double-layer capacitor (EDLC), where the charge is absorbed on the surface, and pseudocapacitors with redox reaction occurs on the surface to store charges [124年gydF4y2Ba]。一般来说,这两种机制将有助于电极材料的电容。pseudocapacitance高的材料,他们需要良好的导电材料以提高电解液的稳定性和良好的电荷转移/电极界面(gydF4y2Ba125年gydF4y2Ba]。各种导电高分子材料用于超级电容器,如聚苯胺(PANi) [gydF4y2Ba54gydF4y2Ba,gydF4y2Ba126年gydF4y2Ba),锅(gydF4y2Ba127年gydF4y2Ba)和PVA,这显示好pseudocapacitance [gydF4y2Ba128年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba130年gydF4y2Ba]。然而,这些聚合物的相对贫穷的循环稳定性限制了应用程序。因此,碳纳米管等碳材料被首次引入解决这个问题由于其出色的稳定性(gydF4y2Ba131年gydF4y2Ba]。后,石墨烯填料,以非凡的导电性和优良的力学性能,被视为这些聚合物填料用于超级电容器电极(gydF4y2Ba43gydF4y2Ba]。王等人。gydF4y2Ba126年gydF4y2Ba)通过原位制备石墨烯/聚苯胺复合阳极electropolymerization。电容的组合达到233 g FgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba生成的聚苯胺薄膜,双电层电容是远低于先前的电容,主要归因于石墨烯nanosheets的叠加。然而,强劲的π-π石墨烯层之间的相互作用使得他们容易操控,导致电极的表现不佳。为了避免这个问题,石墨烯填料取代了去,它充当另一个聚合物掺杂材料。Zhang et al。gydF4y2Ba54gydF4y2Ba)准备去/聚苯胺复合材料的原位聚合,和不同的特定的电容和电导GOs加载进行了讨论。加载的10 wt %,复合材料的导电率达到231.3 S / mgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba20倍的纯聚苯胺。当增加加载从10到50 - 80 wt %,电导率显著下降(从231.3到0.4 S / mgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba可以看到)。后,也掺杂聚苯胺,进入特定的电容电流密度的下降0.1 ggydF4y2Ba−1gydF4y2Ba。提高电容,石墨烯已经组织成三维(3 d)多孔结构具有高的比表面积(gydF4y2Ba132年gydF4y2Ba]。三维石墨烯可以极大地提高聚苯胺的电荷存储和pseudocapacitance。Tai et al。gydF4y2Ba133年gydF4y2Ba)准备自组装三维石墨烯/聚苯胺复合水凝胶原位聚合的策略。复合材料的比电容达到334 g FgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba,这是整洁的PANi的三倍。Kulkarni et al。gydF4y2Ba134年gydF4y2Ba)准备三维石墨烯通过CVD模板倪和苯胺单体添加了化学氧化聚合形成三维石墨烯/聚苯胺复合材料。实验显示更高supercapacitive g ~ 1002 F的性能gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba(图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba马),放电电流密度为1厘米gydF4y2Ba−2gydF4y2Ba。所有这些实验证明了二维材料的重要作用来改善聚合物的导电性和电容矩阵。gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
(c)gydF4y2Ba
5。总结与展望gydF4y2Ba
在这次审查中,我们总结了2 d材料聚合物复合材料的最新进展及其应用在能源存储系统。首先,我们介绍了高分子材料的广泛应用在我们的日常生活和2 d材料作为填料的优点来提高他们的属性。然后,准备2 d材料方法讨论了增强聚合物复合材料及其属性。石墨烯及其衍生物作为例子来审查制造方法,如溶液混合,融化夹层和原位聚合。其他的2 d h-BN等材料,金属氧化物半导体gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和财政部被引入到聚合物,影响性能增强的聚合物复合材料也被讨论。最后,应用二维材料聚合物复合材料在Li-S电池和超级电容器应用。进行2 d - base聚合物复合材料提供大的表面积与许多活跃的网站,导致一个优秀的超级电容器的电化学反应的性能。对于电池分离器应用程序,2 d材料和聚合物多孔结构,防止其他离子的运输除了李gydF4y2Ba+gydF4y2Ba通过分隔符,增加电池的库仑效率。gydF4y2Ba
尽管2 d材料聚合物复合材料的巨大潜力已经证明在各个领域,仍有许多挑战在他们的实际应用。首先,大规模生产各种二维材料是他们实际应用的主要瓶颈。虽然可以获得高质量的石墨烯透明胶带的方法,然而,极低的数量限制了其实际应用。许多工作都集中在大规模生产石墨烯的工业应用。目前,大规模生产石墨烯的问题已经解决,和许多商业应用的石墨烯聚合物复合材料已报告。然而,其他2 d材料聚合物复合材料二维材料的大规模生产仍然是主要挑战需要解决。为了克服这个问题,每个人都应该重点发展高效剥离方法,可以在大规模片状剥落层状材料。那么,如何平衡质量和数量之间的关系也仍然是一个大问题。例如,h-BN-based聚合物复合材料可以通过球磨产生的大量,虽然规模相对较小,由于在剥离过程中球之间的激烈碰撞。一旦大规模生产各种2 d的材料是真实的,它不会太长见的2 d - base聚合物复合材料影响我们的日常生活中。gydF4y2Ba
其次,进一步探索多个二维材料聚合物复合材料应该做的。很明显发现的大部分研究集中在使用一个2 d材料在聚合物复合材料,虽然只是一些报告调查了聚合物复合材料通过添加多个二维材料在一起。原则上,每个2 d材料都有其独特的属性但有几个缺点。例如,石墨烯具有高导电性和大理论特定区域,而更愿意作为导电填料的能源存储设备。然而,据报道,石墨烯聚合物复合材料表现出非常低的能量密度。要解决这个问题,提出了混合与其他二维材料石墨烯(gydF4y2Ba136年gydF4y2Ba]。例如,氧化2 d nanosheets与合适的电容可以添加到聚合物复合材料和石墨烯在一起,和由此产生的二维高分子复合材料的能量密度将会改善,因为他们可以集成电极的聚合物。gydF4y2Ba
聚合物已经渗透到我们日常生活的方方面面,和它们的属性增强将大大影响工业的发展,医药等各个领域。最近开发的材料,2 d材料有很大的机会调整机械、电气和热性能的聚合物即使有小数量的。我们相信努力花在二维材料的剥离和2 d材料复合材料的研究应该包括基础研究和实际应用。gydF4y2Ba
缩写gydF4y2Ba
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| 的投篮:gydF4y2Ba | 功能化石墨烯表。gydF4y2Ba |
的利益冲突gydF4y2Ba
作者宣称没有利益冲突。gydF4y2Ba
确认gydF4y2Ba
x Cai由于金融支持来自广东大学青年人才项目(2018号kqncx218) NTUT-SZU联合研究项目(2019001),深圳大学和科研启动基金(2019017)。gydF4y2Ba