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CMC/rGO生物复合材料通过超声辅助溶液浇铸法制备，FTIR、UV-Vis和SEM分析显示rGO的加入显著提升光学带隙、Urbach能量及消光系数，增强线性与非线性光学性能，为可持续光电子和储能器件提供新方案。
作者：?mer Bahad?r Mergen, Selim Kara, Ertan Arda
土耳其伊兹密尔多库兹埃伊卢尔大学医学成像技术系
摘要
本研究探讨了羧甲基纤维素（CMC）/还原氧化石墨烯（rGO）生物复合材料的开发与性能表征，这些复合材料适用于光电子和储能领域。通过超声辅助溶液浇铸法制备了不同rGO含量的生物复合材料，确保了生产过程的环保性和经济性。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）和扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的结构、光学及非线性光学性能进行了全面分析。rGO的加入显著提高了复合材料的带隙、Urbach能量和消光系数（k），同时改善了其光学介电性能。本研究提出了一种可持续的全水相制备方法，可制备出rGO分布均匀且具有强氢键作用的CMC/rGO生物复合材料。与以往研究不同，本实验展示了材料的线性和非线性光学特性，并实现了带隙的可调谐性，进一步凸显了其在光电子和储能应用中的潜力。
主要发现表明，rGO的添加增强了材料的非线性光学参数（如三阶非线性极化率和非线性折射率），表明CMC/rGO生物复合材料在先进光电子器件中具有广泛应用前景。此外，基于Wemple-DiDomenico模型的分析结果表明，这些复合材料在极化和载流子动力学方面也有显著改善。这些结果强调了rGO在优化生物聚合物基纳米复合材料光学和电学性能方面的关键作用，使其成为下一代技术的理想候选材料。
引言
聚合物纳米复合材料因其可调的光学、电学和机械性能而成为当前材料研究的焦点，使其成为下一代可持续技术的理想选择[1]、[2]、[3]。然而，传统塑料的广泛使用及其较差的降解性导致了严重的陆地和海洋污染[4]。在这种情况下，源自可再生和可生物降解资源的生物聚合物为环境可持续性和循环经济战略提供了有力支持[2]。
在天然聚合物中，羧甲基纤维素（CMC）作为一种水溶性、聚阴离子纤维素衍生物，因其无毒、可生物降解和亲水特性而受到广泛关注[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。其优异的成膜能力、透明度和机械强度使其成为开发多功能生物复合材料的理想基质[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，原始CMC的离子导电性较低、化学耐受性有限且光学活性中等，限制了其在先进光电子和储能系统中的应用[17]、[18]、[19]。为克服这些缺点，通常通过添加纳米材料来改性或增强CMC的结构、电学和光学性能[20]、[21]。
基于碳的纳米填料（如碳纳米管（CNTs）、石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）已被广泛用于聚合物基体中，以提升其电学、机械和光学性能[22]、[23]。GO含有丰富的含氧官能团（?COOH、?OH），这些官能团增强了材料的亲水性并促进了与聚合物的强界面相互作用[22]、[24]。然而，这些官能团会破坏石墨烯的π–π共轭结构，从而降低导电性和光学活性。相比之下，rGO部分恢复了π–π共轭，提高了导电性，缩小了带隙，并增强了线性和非线性光学响应。与CNTs相比，rGO在亲水性聚合物基体（如CMC）中具有更好的分散性和加工性能。
CMC的羟基与rGO的含氧官能团之间的强氢键作用促进了其在水介质中的均匀分散，无需使用有毒溶剂即可制备出均匀且柔性的薄膜[25]。这种相容性还提升了复合材料的光学和机械性能，使其在光电子、光子学和生物医学应用中具有吸引力。
多项研究证实了将纳米材料引入CMC基体中的有益效果。Ampaiwong等人发现CMC/rGO复合材料具有优异的电学和机械性能[26]，Badry等人发现负载CuO纳米粒子的CMC纳米复合材料表现出更好的光学和储能特性[27]。El-Naggar等人观察到PVA/CMC–ZnS复合材料的带隙从5.52 eV降至3.50 eV，折射率从1.57升至2.54[9]。此外，含有ZnO/GO或CuO/GO的CMC基复合材料还表现出优异的抗菌和光学性能[2]。这些发现突显了CMC基系统的多功能性及其在光电子和光子器件中的应用潜力。以往的研究主要集中在将CMC与CNTs或宽带隙金属氧化物/量子点（如ZnO和ZnS）结合，主要目的是提升线性光学吸收、电导率、机械强度、紫外线屏蔽能力或生物相容性等性能。与金属氧化物或量子点系统不同，CMC/rGO生物复合材料结合了优异的光电性能、环保的制备工艺和良好的生物相容性。此外，大多数相关复合材料都是通过高温处理、金属盐还原或酸处理等高能耗方法制备的。因此，本研究通过采用可持续的生产策略和全面的光学表征方法，并特别关注非线性光学性能，区分了CMC/rGO生物复合材料的优势。
本研究旨在采用环保方法制备CMC/rGO生物复合材料薄膜，并研究其在光电子器件和储能领域的应用潜力。复合材料通过超声辅助溶液浇铸法制备，并对其线性和非线性光学性能进行了详细分析。利用FT-IR和UV-Vis光谱评估了rGO对CMC基体的影响，计算了折射率（n）、光学介电常数、消光系数（k）和带隙能量等参数。Tauc和ASF方法的分析表明，rGO的添加显著提升了CMC薄膜的光学性能。
研究结果表明，rGO的加入显著提高了复合材料的非线性折射率、三阶非线性极化率和高频介电常数。扫描电子显微镜（SEM）清晰显示了rGO在复合材料中的分布情况。这些结果表明，CMC/rGO生物复合材料在光电子应用中具有巨大潜力。
材料与复合薄膜制备
生物复合薄膜的材料与制备
制备CMC/rGO生物复合材料薄膜使用了奶油色羧甲基纤维素钠粉末（低粘度：50–200 mPa·s，干基含量≥96%；BCA-299503，Boston USA Chemistry LLC., 波士顿，马萨诸塞州02116，美国）和黑色还原氧化石墨烯（纯度：99%，粒径：1–10 μm，2–5层；NG01RGO0101，Nanografi，安卡拉06800，土耳其）。制备过程遵循了我们之前的研究方法[28]。
扫描电子显微镜（SEM）分析
图1(b)展示了体积分数为4.65%的CMC/rGO生物复合材料的扫描电子显微镜图像。图中可见rGO在CMC基体中随机分布。rGO在基体中的形态和分布对复合材料的物理性能有显著影响，许多rGO颗粒彼此接触。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）
图2展示了纯CMC和CMC/rGO复合材料的FT-IR光谱。图中显示了CMC的主要吸收峰
结论
本研究成功制备并表征了CMC/rGO生物复合材料，证明了其在光电子和储能领域的巨大潜力。rGO的加入改善了关键性能，如带隙缩小、Urbach能量增加和介电常数提升，同时保持了环境的可持续性。非线性光学性能（如三阶非线性极化率和非线性折射率）也得到了显著改善。
作者贡献声明
Ertan Arda：撰写、审稿与编辑、监督、资源提供、方法论设计。
Selim Kara：撰写、审稿与编辑、监督、方法论设计。
?mer Bahad?r Mergen：初稿撰写、数据可视化、实验设计、数据分析、概念构思
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
