《Diamond and Related Materials》：Exploring and tailoring the characteristics of biocompatible next-generation soft materials: PCG and PCPtG polymer nanocomposites
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研究通过溶液混合法制备了PVA/CS基GO和Pt-decorated GO纳米复合材料，系统分析了纳米填料对材料结构、光学及介电性能的影响。结果表明，PtG的引入显著提升了材料的介电响应和载流子动力学效率，同时优化了材料机械性能和界面结合。结构表征显示结晶参数和缺陷密度与填料浓度相关，光学分析证实带隙调控和介电常数增强，并验证了其与纳米填料功能性的直接关联。
Neha Sharma| Aakansha| Shalendra Kumar| Saurabh Dalela| S.Z. Hashmi| M. Ayaz Ahmad| Mohammed Ezzeldien| B.L. Choudhary| P.A. Alvi
印度拉贾斯坦邦Banasthali Vidyapith物理科学系，邮编304022
摘要
本研究描述了采用简单的溶液混合方法制备的混合PCG（PVA/CS/GO）和PCPtG（PVA/CS/Pt-GO）纳米复合材料的制备过程及其详细分析。通过将氧化石墨烯（GO）和镀铂氧化石墨烯（PtG）以1至5 wt%的浓度引入PVA/CS基质中，可以详细研究这些填料如何影响材料的结构和光学性能。此外，本研究还将纳米填料的组成与微观结构参数（如晶粒尺寸、微应变、位错密度、能量密度和杨氏模量）相关联，展示了可调的结构-性能关系。光学分析显示，随着纳米填料含量的增加，能带隙有所减小，同时Urbach能量、折射率、光学介电常数和光学导电率有所提高，这归因于缺陷密度和结构无序性的增强。作为频率和填料含量函数的光学介电行为表明，PCPtG复合材料的介电响应明显优于PCG样品。这突显了铂（Pt）在增强界面极化和促进材料内部电荷传输方面的作用。Wemple–DiDomenico单振子模型和Spitzer–Fan关系被用来提取折射率色散参数，从而验证了观察到的光学转变。值得注意的是，自由电荷载流子与有效质量之比（N/m*）随着PtG的加入而显著提高，表明复合体系内的电荷载流子动力学得到改善。场发射扫描电子显微镜和EDAX分析显示，纳米填料在聚合物网络中分布均匀，界面结合牢固。拉曼光谱和FTIR光谱也被用来研究分子行为和官能团的存在。本研究的新颖之处在于建立了纳米填料的功能性（GO与PtG）与基于PVA/CS的纳米复合材料的光电性能之间的直接关联。这些复合材料具有改进的结构稳定性和可调的光学响应，使其成为下一代光电技术的有力竞争者。
引言
在现代技术时代，研究人员对使用生物相容性和柔软材料（如聚乙烯醇（PVA）、壳聚糖（CS）和乙基纤维素及其衍生物）来制造先进的聚合物纳米复合材料给予了极大关注，因为这些材料具有出色的电子、光学、机械和热性能[1]、[2]。这些特性在先进技术背景下彻底改变了材料科学，推动了众多应用的发展，并开启了研究的新纪元。CS和PVA是两种被广泛研究的聚合物材料，因为它们具有独特的物理化学性质，并适用于多种功能性填料[3]、[4]、[5]。然而，PVA被认为是一种潜在的亲水性、可生物降解的聚合物，具有优异的机械强度、化学稳定性和成膜能力，可以应用于多种生物医学、电子和环境技术领域。通过调整纳米填料的类型、尺寸、浓度、分散质量、形状和分布，可以有效地调节PVA的电学和光学性能，使其易于根据需要进行精细调整[6]、[7]、[8]。考虑到PVA聚合物的这些非凡特性和性能，已经设计并制备了多种用于纳米电子学、量子电子学、光电子学、电磁干扰屏蔽和能量存储设备的聚合物纳米复合材料[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。此外，还开发了基于PVDF、PVC和PEO的聚合物纳米复合材料，用于电气和电子应用[18]、[19]。
同样，壳聚糖（CS）是自然界中仅次于纤维素的第二大天然聚合物。CS是一种由几丁质制成的天然生物聚合物，由于其无毒、可生物降解、无过敏反应、生物活性和生物相容性以及出色的吸附性能，在组织工程、药物输送和水处理中得到了广泛应用。当CS在酸性介质中溶解时，其聚合物链的氨基团会质子化并变为阳离子，使其能够与多种化合物发生强烈相互作用。这些特性使壳聚糖成为一系列先进材料应用的有希望的候选者[20]、[21]、[22]。在PVA/CS聚合物混合物中，CS作为主要聚合物基质之一发挥着关键作用。其固有的可生物降解性、与生物系统的兼容性以及强大的成膜能力显著提升了基于PVA/CS的纳米复合薄膜的结构、光学和功能完整性。此外，为了增强混合物的各种性能，越来越多地在聚合物混合物中使用纳米级填料，如GO。二维（2D）纳米填料（如GO）的结构和光学性能使它们成为无机填料的替代品。GO是一种二维多层石墨烯衍生物，基底平面含有氧官能团（如环氧基和羟基），边缘含有羰基和羧基。此外，GO可以通过各种方法进行功能化，以提高其分散性、稳定性和与各种基质的相容性[23]。功能化包括共价表面修饰、非共价修饰和掺杂[24]、[25]、[26]、[27]。由于其独特的单层石墨烯结构以及富含含氧官能团，GO能够与聚合物基质无缝结合，从而提高复合材料的电导率、热稳定性和机械强度。
鉴于GO的上述特性，GO被用作制备新型PVA和壳聚糖基柔性聚合物纳米复合材料的纳米填料。目前的工作创新之处在于使用绿色合成的镀铂GO（即PtG）纳米填料，以减少有害试剂的使用，从而降低环境污染。在早期研究中，需要使用镀铂碳衍生物（如CB（炭黑）和MWCNTs（多壁碳纳米管）来增强催化剂分散性并最大化电化学活性位点，从而提高ORR（氧还原反应）的效率。它们还通过调整载体的结构和表面性质来提高稳定性和质量传输[28]。镀铂碳纳米填料增加了有效表面积，提升了催化作用，但由于铂的高成本仍然是大规模应用的重大挑战，研究人员正在寻找更具成本效益的替代品。先进和创新的方法促进了在GO（即镀铂GO）上均匀沉积Pt纳米粒子的环保、经济和高产率方法，与炭黑（CB）和MWNTs相比，后者至今仍被认为是最有前景的候选材料，从而赋予了更优的结构稳定性、催化效率和操作耐久性。此外，为了增强混合物的各种性能和提高组分兼容性，这类纳米级填料在聚合物混合物中的使用日益增多。
然而，由于其出色的物理和化学性能，基于碳的纳米结构被广泛用作现代电化学系统（如燃料电池中的聚合物复合材料和膜）中贵金属纳米催化剂的载体。因此，作为纳米填料的Pt、Pd和Au纳米颗粒在各种应用中显示出出色的效率[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。通过将PVA和CS作为宿主聚合物与GO/PtG（作为纳米填料）混合，实现了协同效应，从而制备出适用于先进技术应用的多种纳米复合材料（即PCG和PCPtG纳米复合材料）。在本研究中，PCG（PVA-CHitosan-GO）和PCPtG（PVA-CHitosan-Pt-GO）纳米复合材料被研究作为多功能材料，可能在环境清理、药物输送、能量存储、柔性电子、传感器和电磁干扰（EMI）屏蔽等领域有应用前景。特别是，加入镀铂GO具有引入催化活性或显著提高电导率的可能性，为电化学、传感或高能应用开辟了新的可能性。研究表明，添加GO和PtGO纳米填料可以改善复合材料的结构、光学和功能性能，而PVA和CS的特殊组合则形成了柔性和可生物降解的基质。本研究的目的是探讨PCG和PCPtG纳米复合材料的结构、光学、形态和功能性能，并强调其在尖端技术应用中的潜力。
实验细节
PCPtG纳米复合材料的制备分为两个阶段；第一阶段是制备镀铂GO（PtG）纳米填料，第二阶段是将纳米填料掺入复合材料中。
表征结果及其讨论
使用Bruker D8 Advance XRD仪器记录了PCG和PCPtG聚合物纳米复合薄膜的X射线衍射（XRD）图案，该仪器的工作电压为40 kV，电流为40 mA。XRD数据覆盖了10°至80°的2θ范围。使用UV-3600 i plus UV-VIS-NIR分光光度计获得了220–800 nm波长范围内的吸光度、透射率和反射率光谱。表面形貌通过场发射扫描电子显微镜进行了观察
结论
通过简单的溶液混合技术成功制备了PCG和PCPtG纳米复合材料，以研究GO和镀铂GO纳米填料对PVA/CS混合物结构和光学特性的影响。结构分析表明，纳米填料的加入显著影响了晶粒尺寸、微应变、位错密度和机械参数，证实了填料与宿主基质之间的强界面相互作用。光学测量显示
CRediT作者贡献声明
Neha Sharma：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理。Aakansha：撰写——审阅与编辑，监督。Shalendra Kumar：撰写——审阅与编辑，正式分析。Saurabh Dalela：撰写——审阅与编辑，验证。S.Z. Hashmi：撰写——审阅与编辑，可视化。M. Ayaz Ahmad：撰写——审阅与编辑，正式分析。Mohammed Ezzeldien：撰写——审阅与编辑，正式分析。B.L. Choudhary：撰写——审阅与编辑，验证。P.A. Alvi：撰写——
致谢
Neha Sharma、Aakansha、B. L. Choudhary和P. A. Alvi感谢印度DST政府通过CURIE计划为Banasthali Vidyapith提供研究设施，以及在DST-STUTI项目中提供的培训支持。
