通过氧化石墨烯片层和碳纳米管的自组装制备的聚合物电解质辅助混合纳米结构

《ACS Applied Nano Materials》：Polyelectrolyte-Assisted Hybrid Nanostructures from Self-Assembly of Graphene Oxide Sheets and Carbon Nanotubes

精准调控各向异性低维纳米材料层状自组装体系是材料科学关键挑战。本研究通过非共价吸附聚电解质（PDDA/PSS）构建二维石墨烯氧化物（GO）与一维碳纳米管（CNTs）的混合纳米结构，发现其具有可调的双级层状微结构：GO片层由CNTs作为间隔层支撑，且CNTs在层间呈现侧向排列。实验证实该体系具有优异的胶体稳定性，分子动力学模拟揭示静电互补驱动自组装的动态重组机制。研究成果为制备各向异性功能薄膜、储能器件等提供新平台。

　　

在材料科学中，实现对刚性各向异性低维纳米材料层次结构的精确控制仍然是一个关键挑战。我们研究了基于溶液的自组装方法，制备了由二维（2D）氧化石墨烯（GO）片层和一维（1D）碳纳米管（CNTs）组成的混合纳米结构，并通过非共价吸附阳离子PDDA和阴离子PSS聚电解质（PELs）对这些纳米结构进行了功能化处理，分别得到了m-GO和m-CNTs。这些自组装的m-GO/m-CNTs混合物展现出可调的微观结构，具有双层层次结构：GO片层之间由CNTs作为间隔层隔开，同时CNTs在层间通道中呈横向排列。实验表征通过动态光散射（DLS）和ζ电位测量证实了这些混合物的胶体稳定性；而横截面扫描电子显微镜（SEM）观察结果显示，形成了m-CNTs嵌入m-GO片层之间的层状混合纳米结构。研究发现，这种形态受电荷化学计量比和吸附PELs重组的影响：当m-GO与m-CNTs的化学计量比偏离平衡时，混合纳米结构仍能保持良好的分散状态；而当两者接近化学计量比平衡时，则会发生介观尺度的聚集现象。粗粒度分子动力学（MD）模拟揭示了这种层状混合纳米结构的自组装过程，这一过程是由带相反电荷的纳米材料之间的静电互补性驱动的。混合层中受限CNTs的方向性排列直接源于表面结合的PELs的动态重组。这项工作还为构建层次有序的1D-2D混合材料提供了一个可扩展的平台，这些材料在各向异性功能薄膜、储能器件、膜材料以及柔性电子应用领域具有潜在的应用价值。