摘要：大家好！今天一起来了解一种可拉伸石墨烯/NiS₂纳米复合材料——《Facile Design of Highly Stretchable and Conductive Crumpled Graphene/NiS2 Films for Multifunction
大家好！今天一起来了解一种可拉伸石墨烯/NiS₂纳米复合材料——《Facile Design of Highly Stretchable and Conductive Crumpled Graphene/NiS2 Films for Multifunctional Applications》发表于《Small Methods》。它在可穿戴设备领域那可是相当有潜力哦！想象一下，未来的智能穿戴设备能像皮肤一样贴合我们的身体，还能稳定地工作！
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景
在可穿戴设备蓬勃发展的今天，对软纳米材料复合材料的需求日益增长。我们需要既具有良好导电性，又能在拉伸时保持性能稳定的材料。比如说，在智能手环中，如果材料拉伸性不好，可能戴在手上稍微动一动，功能就受影响了。像金属材料虽然导电性不错，但拉伸性较差；一些聚合物材料拉伸性好，但导电性又不够理想。而石墨烯和硫化镍（NiS₂）就进入了科学家的视野。石墨烯本身具有优异的电学性能，NiS₂成本低、储量丰富且性能可调。将它们复合，有望解决可穿戴设备材料的难题。就像拼图一样，把它们的优势拼在一起，创造出更出色的材料。
二、褶皱多孔石墨烯/NiS₂纳米复合薄膜的制备
（一）制备过程讲解
来，咱看看这个神奇材料是怎么诞生的。首先，用CO₂激光（波长10.6μm，激光功率3.8W）照射薄聚酰亚胺（PI）膜，这样就能得到互连多孔激光诱导石墨烯（LIG）图案，这个图案就像一个“模板”。然后呢，以它为工作电极，在上面电沉积结晶的NiS₂纳米颗粒，而且不需要任何聚合物粘合剂和导电添加剂哦！最后，通过转移印刷和预应变策略，就得到了我们的褶皱多孔LIG/NiS₂纳米复合薄膜。给大家打个比方，这就像是在一个特制的模具上精心打造零件，然后再进行巧妙的组装和调整。
（二）制备优势阐述
这种制备方法优势可多啦！它能让活性材料均匀地覆盖在多孔LIG骨架的表面和内部，比以前的一些方法强多了。以前的方法可能会出现材料分布不均匀的情况，就像给蛋糕抹奶油，有的地方厚有的地方薄。而现在这个方法能保证更高质量的活性材料负载，即使在机械变形时，也能保持良好的机械附着力和电接触。这就意味着，我们的材料在被拉伸、弯曲等情况下，依然能稳定工作，就像一个训练有素的运动员，无论面对什么挑战都能保持良好状态。
三、结构和成分表征
（一）表征手段介绍
科学家们为了深入了解这个材料，利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱等，从不同角度揭示材料的“秘密”。
（二）结构成分分析
通过SEM观察，发现原始LIG中是少层石墨烯片互连形成多孔蜂窝状结构，而在复合薄膜中，NiS₂纳米颗粒均匀地生长在石墨烯片表面，这就大大增加了可接触表面积和离子扩散速率。
TEM图像中能看到薄石墨烯片上的波纹状褶皱结构，这可能是脉冲CO₂激光照射时的热膨胀导致的。从XRD图谱中，LIG泡沫的特征峰表明其高度石墨化，复合薄膜中除了LIG的峰，还有NiS₂晶体的峰，这就证明了NiS₂成功生长在LIG支架上。XPS光谱进一步确定了材料中的元素组成和化学键情况，C1s、S2p、Ni2p的峰都清晰可见。拉曼光谱中的特征峰也再次确认了结晶石墨烯的形成，D/G强度比显示了样品中石墨烯结构的完整性。可以说，通过这些表征，我们对材料的结构和成分有了全面而深入的了解，就像揭开了材料的神秘面纱。
四、理化性质
（一）电学性能分析
当我们改变预应变时，材料的电学性能会发生有趣的变化。从线性电流-电压（I-V）曲线（图3a）能看出，NiS₂纳米颗粒和LIG泡沫支架之间形成了良好的欧姆接触。随着预应变增加，I-V曲线斜率增大，这意味着导电通路增加，导电性增强。与原始LIG泡沫相比，复合薄膜的sheet电阻明显降低，这都多亏了金属NiS₂在3D网络支架上的直接生长。而且，材料的归一化电阻变化（ΔR/R₀）显示出良好的拉伸性，在一定应变范围内能稳定工作。就像一根有弹性的电线，拉伸时电阻虽然会变化，但依然能导电。
（二）其他理化性质
预应变还能影响材料的表面结构。从氮吸附/解吸等温线可以看出，所有样品都具有多孔结构，随着预应变从0增加到200%，材料的BET表面积逐渐增加，平均孔径先增大后减小。这就像一个可以调节的海绵，随着外力变化，它的孔隙结构也在改变。同时，水接触角从原始LIG泡沫的40°降低到预应变200%时的31°，这表明表面润湿性提高了，更有利于吸附离子液体和增强电化学能量存储，就像一块更吸水的毛巾，能更好地完成它的任务。
五、基于褶皱多孔石墨烯/NiS₂的可拉伸摩擦纳米发电机（TENG）的输出性能
（一）TENG工作原理
这个TENG是怎么工作的呢？它利用接触带电和静电感应原理，把机械能转化为电能。当有机械运动时，材料表面的电荷会重新分布，产生电流。就像我们用梳子摩擦头发后能吸引小纸屑一样，这里是通过材料之间的摩擦和感应来发电。
（二）性能影响因素
预应变对TENG的性能至关重要哦！随着预应变从0增加到200%，TENG的输出电压在2Hz频率下从19V单调增加到34V，这是因为表面粗糙度和有效接触面积增加了。当变形频率从1Hz增加到5Hz（压力72kPa）时，输出电流和电压也会增加，这就像水流速度加快，发电量也跟着上升。压力增加时，输出电压也会提高，因为两个摩擦电电极之间的接触面积增大了。通过调整负载电阻，我们能找到TENG的最佳输出功率密度，在2mΩ电阻下可达1.6×10⁻²mW/cm²。而且，这个TENG的机械稳定性超棒，在3个月内输出电压变化极小，就像一个可靠的小发电机，持续稳定地为我们提供电能。
六、基于褶皱多孔石墨烯/NiS₂的微超级电容器阵列（MSCA）的电化学性能
（一）MSCA结构与原理
在MSCA中，褶皱多孔石墨烯/NiS₂纳米复合材料可是身兼数职哦！它可以作为叉指电极、集电器和蛇形互连结构。在循环伏安法（CV）测试中，基于该复合材料的MSC与原始LIG基MSC不同，它在阳极和阴极扫描时有明显的氧化还原峰，这是因为NiS₂与碱性电解质发生了法拉第氧化反应。这就像化学反应中的一场精彩表演，让我们看到了材料的特殊电化学性质。
（二）性能优势体现
这个基于复合材料的MSC比原始的LIG基MSC性能更优越。它的比面积电容和最大能量密度更高，在不同电流密度下放电时间更长，这意味着它能储存更多的电荷。而且，它的充放电曲线近似对称，表明可逆氧化还原反应良好，库仑效率高。在-20到60°C的温度范围内，充放电曲线依然保持良好的特性，随着温度升高，电荷存储容量还能增强约160%，这就像一个适应能力很强的运动员，在不同环境下都能发挥出色。在循环稳定性方面，经过5000次CV循环后，它仍能保持约81.92%的初始电容，库仑效率高达99.7%，这是非常了不起的成绩！
七、基于褶皱多孔石墨烯/NiS₂的可穿戴传感器的传感性能
（一）应变传感器应用
应变传感器利用了材料3D网络对外部压力/应变的敏感性。当我们把它贴在关节（如脚踝、肘部、膝盖、手指）或肌肉上时，就能准确地监测人体运动。比如，贴在脚踝上可以检测走路频率，贴在手指上能检测弯曲和伸展动作，甚至像吞咽、眨眼、动脉脉搏这样的细微活动也能被捕捉到。从测量数据来看，动脉脉搏的收缩峰和舒张峰都能清晰分辨，与商用血压计测量结果一致。而且，这个传感器的机械耐久性很好，在55000次加载-卸载循环（1kPa，4Hz）后依然能稳定工作。我们还可以把它配置成6×6的阵列，用来检测压力分布，就像给物体表面装上了许多小眼睛，能清楚地看到压力的变化情况。
（二）温度与气体传感器性能
温度传感器利用了材料中电子-声子散射和电子热速度随温度变化的特性。在20到100°C范围内，它的相对电阻变化与温度呈近似线性关系，灵敏度达到3.38×10⁻⁶°C⁻¹，响应和恢复时间分别为10.5s和8.5s，比其他一些基于LIG和氧化铟的可穿戴温度传感器表现更好。气体传感器则能在室温下检测1到30ppm的NO₂，对1ppmNO₂的响应/恢复时间为160/187s，灵敏度为1.12ppm⁻¹，比LIG基气体传感器高。它对NO₂的选择性也很好，对其他气体（如NO、CO₂、NH₃等）的响应较小。这就像一个灵敏的鼻子，能准确地嗅出目标气体的存在。
八、基于褶皱多孔石墨烯/NiS₂的独立生物物理传感平台的集成与演示
（一）平台集成介绍
我们把可穿戴的生物物理传感器、TENG和MSCA与电源管理电路和无线传输模块（蓝牙芯片CC2541）整合在一起，就形成了一个独立的生物物理传感平台。这个平台就像一个智能小助手，能自动完成很多任务。
（二）性能测试与展示
当人跑步时，安装在鞋子上的两个TENG能将机械能转化为电能，在不同跑步频率下，输出稳定的电压和功率密度。这些电能通过桥整流器存储在MSCA中，为可穿戴生物物理传感器和无线传输模块提供持续的电源。
在实际测试中，这个平台测量的皮肤温度和脉搏信号与商用电池供电的集成系统在60分钟运动中的结果一致。而且，经过3个月的时间，对动脉脉搏信号的连续监测依然稳定，收缩峰和舒张峰清晰可辨，这充分证明了平台的长期稳定性。就像一个可靠的健康卫士，时刻守护着我们的身体状况。
九、总结与展望
可拉伸石墨烯/NiS₂纳米复合材料在可穿戴设备领域展现出了巨大的潜力，从传感器到能量收集与存储，都有出色的表现。相信在未来，随着研究的不断深入，这种材料会给我们的生活带来更多的惊喜和便利，说不定我们很快就能用上更智能、更舒适的可穿戴设备啦！让我们一起期待吧！
十、一起来做做题吧
1、在可穿戴设备中，制备软纳米材料复合材料面临的主要挑战不包括以下哪一项？
A. 提高导电性
B. 增强机械拉伸性
C. 降低成本
D. 增加材料厚度
2、制备褶皱多孔石墨烯 / NiS₂纳米复合薄膜时，电沉积 NiS₂纳米颗粒的工作电极是什么？
A. 聚酰亚胺（PI）薄膜
B. 互连多孔激光诱导石墨烯（LIG）图案
C. 硅芯片
D. 预应变弹性体基板
3、通过哪种表征手段可以确定材料中 NiS₂晶体的存在？
A. 扫描电子显微镜（SEM）
B. X 射线光电子能谱（XPS）
C. X 射线衍射（XRD）
D. 拉曼光谱
4、当预应变从 0 增加到 200% 时，褶皱多孔石墨烯 / NiS₂纳米复合薄膜的 sheet 电阻会怎样变化？
A. 不变
B. 增加
C. 先增加后减少
D. 减少
5、基于褶皱多孔石墨烯 / NiS₂的可拉伸 TENG 的输出性能受以下哪个因素影响最小？
A. 预应变
B. 环境温度
C. 变形频率
D. 压力
6、在基于褶皱多孔石墨烯 / NiS₂的微超级电容器阵列（MSCA）中，以下哪种现象表明其具有良好的可逆氧化还原反应？
A. 高倍率性能
B. 充放电曲线近似对称
C. 明显的氧化还原峰
D. 高能量密度
7、褶皱多孔石墨烯 / NiS₂基应变传感器不能检测以下哪种人体活动？
A. 跑步
B. 眨眼
C. 心跳
D. 思维活动
8、褶皱多孔石墨烯 / NiS₂基气体传感器对哪种气体具有较高的选择性？
A. NO
B. CO₂
C. NH₃
D. NO₂
参考文献：
Weng K, et al. Facile Design of Highly Stretchable and Conductive Crumpled Graphene/NiS2 Films for Multifunctional Applications. Small Methods. 2025 Jan 9:e2401965.
来源：知识泥土六二三
