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北化工张好斌教授《AFM》：超强、超韧导电石墨烯纤维

文章来源：新材料在线更新时间：2022-04-15 14:50:43

石墨烯纤维具有优异的力学性能和多功能特性，在能量收集、电磁屏蔽、超级电容器、柔性电池、传感器等领域具有广阔的应用前景。通常，采用湿法纺丝组装氧化石墨烯前驱体，再经还原处理来制备宏观石墨烯纤维。然而，结构缺陷和氧化石墨烯纳米片的不完全还原往往会阻碍氧化石墨烯纤维的发展，导致不理想的抗拉强度和电导率。因此，研究者们提出了许多不同的策略来优化石墨烯纤维的性能，包括使用大尺寸的氧化石墨烯片、调整纺丝条件、插层调制塑化纺丝和高温热还原等。但是，在追求高性能石墨烯纤维的过程中，仍存在能耗高、处理繁琐等局限性。目前，通过一种简单、可规模化、无添加剂的方法来高效地生产高性能的石墨烯纤维仍然是一个挑战。

近日，北京化工大学张好斌教授课题组通过优化氧化石墨烯纳米片的表面化学，提出了一种可规模化且无添加剂的湿纺丝方法，可用于制备高性能的石墨烯纤维。与传统Hummers法制备的氧化石墨烯（h-GO）相比，该工作制备的氧化石墨烯（f-GO）表面端基更少，特别是仅有微量的羧基。由于层间相互作用更强，更容易形成液晶并构建紧凑有序的排列。结果表明，制备的f-GO纤维的抗拉强度达到791.7MPa，韧性达到24.0MJ m-3。经化学还原后，石墨烯纤维的抗拉强度达到875.9MPa，韧性达到13.3MJ m-3，电导率达到1.06×105S m-l，创造新纪录，优于目前报道的大多数化学还原石墨烯纤维。因此，本研究为高性能、多功能石墨烯纤维和柔性可穿戴设备的制备提供了一种简单、高效和可规模化的方法。相关工作以“Tough,Strong, and Conductive Graphene Fibers by Optimizing Surface Chemistry ofGraphene Oxide Precursor”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

通过优化氧化石墨烯前驱体的表面化学，并控制其纺丝和组装行为，该研究制备了一种可规模化且易于湿纺的强韧性和高导电性的石墨烯纤维。优化后的 f-GO具有较少的结构缺陷和易于去除的含氧基团，具有良好的可纺性和流动性。湿纺f-GO纤维的抗拉强度达到791.7MPa，韧性达到8.3 MJ m-3。此外，通过温和的化学还原有效去除f-GO片上的含氧官能团，使纤维具有875.9 MPa的超高抗拉强度和1.06×105S m-l的优异导电性，优于大多数化学还原的GO纤维。这项工作为高性能石墨烯纤维和柔性可穿戴设备的大规模生产提供了一条全新的有前途的途径。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202112156

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