超声辅助制备可生物降解导电PANI/西米/石墨烯杂化纳米复合材料及其在可持续柔性电子中的应用

为解决电子废弃物(EMI)污染和传统导电材料不可降解的问题，研究人员通过超声辅助原位氧化聚合法开发了聚苯胺(PANI)/西米/石墨烯(GNP)杂化纳米复合材料(PSG)。该材料展现出优异的导电性(3.44×10-1 S/cm)、低渗流阈值(0.95 wt%)和热稳定性(T50=497°C)，为可持续柔性电子和EMI屏蔽提供了创新解决方案。

　　

随着便携式电子设备的爆炸式增长，全球正面临两大环境挑战：每年6200万吨电子垃圾的堆积如山，以及电磁干扰(EMI)对精密电子设备的威胁。传统石油基电子材料不仅难以降解，其生产过程还加剧了资源枯竭。更棘手的是，当前主流的导电聚合物如聚苯胺(PANI)虽具有可调控的导电性，却存在机械脆性、热稳定性差(<250°C)和加工困难等瓶颈。与此同时，生物基材料如淀粉虽具环保优势，但其导电性能往往不尽如人意。这种"环保"与"性能"难以兼得的困境，严重制约了可持续电子器件的发展。

King Faisal University的研究团队独辟蹊径，将目光投向了一种生长在酸性沼泽地的特殊植物——西米棕榈(Metroxylon sagu)。这种每株可产400kg淀粉的高产作物，不仅具有惊人的CO₂固定能力，其淀粉的快速土壤降解特性更是瞬态电子器件的理想选择。通过创新的超声辅助原位氧化聚合技术，研究人员成功将西米淀粉、PANI和石墨烯纳米片(GNP)三者有机结合，制备出性能卓越的PANI/Sago/Graphene(PSG)杂化纳米复合材料，相关成果发表在《Polymer Testing》上。

研究采用了四大关键技术：超声辅助原位氧化聚合实现GNP的均匀分散；场发射扫描电镜(FE-SEM)和透射电镜(TEM)表征微观形貌；四探针法测定直流(DC)和交流(AC)电导率；热重分析(TGA)评估热稳定性。特别值得注意的是，通过将GNP预先分散在苯胺单体中，利用π-π相互作用和40kHz超声处理，有效解决了纳米填料团聚这一行业难题。

形态学分析揭示，PSG3样品(2wt% GNP)形成了完美的三维导电网络：TEM显示石墨烯片被PANI纤维桥接，SEM观察到西米颗粒被PANI均匀包裹。这种独特结构使材料在仅0.95wt% GNP含量时就达到渗流阈值，创下生物基导电复合材料的新低。电学性能更令人振奋，DC电导率达3.44×10^-1 S/cm，比纯PANI/西米体系(2.17×10^-3 S/cm)提升两个数量级。通过温度依赖性测试发现，电荷传输主要遵循量子隧穿机制，这解释了为何材料在100°C高温下仍能保持稳定导电性。

光谱学研究为性能提升提供了分子层面的解释。FTIR显示PSG5(6wt% GNP)中C-N伸缩振动峰位移至1330cm^-1，证实了PANI与GNP间强π-π相互作用；UV-Vis谱中π-π*跃迁红移至350nm，表明共轭体系扩展。这些相互作用不仅增强电荷离域，还构成了热稳定的骨架结构，使T₅₀提升至497°C，远超大多数生物基材料。

与现有材料对比，PSG展现出显著优势：其单位填料导电效率(0.344S/cm@2wt%)远超壳聚糖/石墨烯(0.43S/cm@5wt%)和纳米纤维素/rGO(0.718S/cm@10wt%)体系。更难得的是，这种卓越性能来源于可持续的天然原料和绿色制备工艺——西米淀粉的快速降解特性使器件在使用寿命结束后可自然分解，从源头上解决电子垃圾问题。

这项研究突破了生物基材料性能不足的桎梏，通过巧妙的"超声辅助π-π组装"策略，实现了导电性、热稳定性和环境友好性的完美平衡。PSG复合材料不仅为柔性电子、EMI屏蔽提供了新选择，其独特的可降解特性更在医疗植入电子、环境传感器等瞬态器件领域展现出广阔前景。随着后续机械性能和规模化制备研究的深入，这种"绿色电子"材料有望引领可持续电子技术的新浪潮。