俞書宏Adv. Mater.：仿生界面設計提高石墨烯基纖維的強度和電導率

【引言】

2D單層碳材料-石墨烯，由于優越的機械性能、電學性能以及柔性，吸引了廣泛的關注。為實現它的實際應用，這種片狀納米單元必須被組裝成宏觀結構。在最近報道的石墨烯宏觀組裝中，石墨烯基纖維（GBFs）表現出不俗的應用的前景。

迄今為止，對于GBFs，都是通過提高軸向排列，增加組裝納米單元的寬高比以及減小結構缺陷來提高機械強度。實際中，純納米石墨烯纖維（NGFs）的機械強度已經從140提高到500MPa。但由于石墨烯單元排列以及尺寸限制，這個值很難再提高了。這里，研究人員通過將聚多巴胺（PDA）覆蓋的氧化石墨烯組裝到GBFs中，再熱解PDA，得到碳包覆的還原氧化石墨烯纖維（RGO@C）。所制備的纖維具有優越的機械性能和高的電導率。

【成果簡介】

近日，合肥微尺度物質科學國家研究中心俞書宏教授和合肥工業大學從懷萍研究員（共同通訊作者）研究小組受珍珠層結構設計啟發，通過引入聚多巴胺衍生N-摻雜碳物種作為阻力增強劑、粘合劑和導電連接“橋”，提高了石墨烯基纖維的機械性能和電導率。所獲石墨烯基纖維的拉伸強度、電導率，提高到了724 MPa和 6.6 × 10⁴ S m^?1。該研究成果以“A Bioinspired Interface Design for Improving the Strength and Electrical Conductivity of Graphene-Based Fibers”為題發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1. RGO@C纖維的制備

(a) RGO@C纖維制備過程示意圖；

(b-d) 覆蓋面上GO@PDA單元的AFM圖和納米微凸的相應尺寸；

(e, f) RGO@PDA纖維的表面形貌，e中插圖是RGO@PDA纖維的實物圖；

(g) 50% RGO@PDA纖維截面的SEM圖。

圖2. 不同條件下制備GBFs的應力-應變曲線

(a) 在不同DA含量下，GBFs的應力-應變曲線；

(b) 在不同初始摻雜濃度下，GBFs的應力-應變曲線；

(c) 在不同水熱溫度下，GBFs的應力-應變曲線；

(d) 在不同退火溫度下，GBFs的應力-應變曲線。

圖3. 機械和電學性能的對比

(a-d) 在不同退火溫度下，NGFs 和 50% GBFs機械性能和電導率的對比 ；

(e) 1200 °C退火GBFs的電導率和DA含量的關系；

(f) 該文章制備的GBFs和以前報道的GBFs，在拉伸強度和電導率方面的對比。

圖4. RGO@C的成分分析

(a) 在1200 °C退火前、后，所獲RGO和 50% GBFs的XRD；

(b) 在1200 °C退火前、后，50% GBFs的拉曼圖；

(c) 在1200 °C退火前、后，50% GBFs的FTIR；

(d,e) 在1200 °C退火前、后，50% GBFs的N1s XPS；

(f) 50%-1200 RGO@C纖維的C1s XPS。

【小結】

研究人員引入PDA-衍生碳物種作為阻力增強劑、粘合劑和導電連接“橋”，獲得優良粘附性、表面粗糙度和良好電導率的PDA衍生物。最終，制備了RGO@C纖維，其抗拉強度和韌性分別達到了724 MPa 和9.44 MJ m^?3。這種具有優越性能的RGO@C纖維，可能在柔性、便攜和可穿戴電子器件方面有重要的應用。

文獻鏈接： A Bioinspired Interface Design for Improving the Strength?and Electrical Conductivity of Graphene-Based Fibers (Adv. Mater.,2018, DOI: 10.1002/adma.201706435)

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