Nature子刊：無序石墨烯纖維組成多功能石墨烯無紡布

【引語】

2016年11月16日，Nat. Commun.?網站在線發表了題為“Multifunctional non-woven fabrics of interfused graphene fibres”的文章。該文章的第一作者為來自浙江大學的李拯，通訊作者為浙江大學的高超教授。在這篇快訊（Communication）文章中，研究人員在連續化濕法紡絲技術的基礎之上成功研制出了第一塊由純石墨烯纖維構成的織物。該石墨烯織物完全由石墨烯纖維構成，無需添加任何粘接劑，僅利用氧化石墨烯纖維間的自融合現象使得纖維在接觸結點處融為一體。

【成果簡介】

碳基纖維織物作為一種高性能的特殊織物在可穿戴器件和能源等諸多領域發揮著重要作用。碳基纖維具有耐高溫、不溶且強分子間相互作用力的特點，使得碳基纖維編織物的整體性能相對碳基纖維有明顯的下降。一維石墨烯纖維是由納米級的單層氧化石墨烯片，不但強度高，而且韌性好，可以打成結或者編織成導電的纖維編織物。現有化學氣相沉積法、靜電紡絲法用于制備石墨烯網狀編制物。為實現高導熱率和導電率的石墨烯網狀編織物，本文中的研究人員在連續化濕法紡絲技術的基礎之上成功研制出了第一塊由純石墨烯纖維構成的織物。該石墨烯織物完全由石墨烯纖維構成，無需添加任何粘接劑，僅利用氧化石墨烯纖維間的自融合現象使得纖維在接觸結點處融為一體。因此，該石墨烯纖維織物在高溫石墨化后表現出極高的結構穩定性和導電導熱性能。同時，該織物借用了無紡布的結構形式，使石墨烯短纖維隨機取向并搭接成網絡結構，大大簡化了制備過程，有利于規模化生產。

【圖文導讀】

圖1.通過濕法融合組裝技術制備石墨烯纖維無紡布

(a)濕法紡絲法制備人造氧化石墨烯短纖維。

(b)初步干燥氧化石墨烯纖維。

(c)將干燥后的氧化石墨烯纖維分散在乙醇和水的混合液中。

(d)過濾得到濕法融合組裝的。

(e)干燥后得到褐色的氧化石墨烯無紡布。

(f)經高溫或化學還原得到由雜亂無序的石墨烯纖維組成的黑色石墨烯無紡布。

?圖2：濕法融合組裝機理以及氧化石墨烯無紡布和石墨烯無紡布的形貌

在(a) 光學顯微鏡和(b) 光學顯微鏡下，氧化石墨烯纖維分散在乙醇和水的混合液中的形貌。

(c) 濕法融合后的氧化石墨烯纖維在光學顯微鏡和光學顯微鏡下的形態。

(d) 在發光二極管照射下，厚度為0.05 mm的氧化石墨烯無紡布呈多孔淺棕色。

(e) 厚度為3 mm的石墨烯無紡布呈黑棕色。

(f) 進高溫煅燒還原的石墨烯無紡布可用于光和空氣過濾。

(g) 氧化石墨烯無紡布（左圖）與石墨烯無紡布（右圖）對比表明：還原后無紡布的直徑和顏色有輕微的變化。

(h) 石墨烯無紡布布條纏繞在玻璃棒上。

(i) 四個不同直徑和厚度的石墨烯無紡布。

其中，上述圖的比例尺分別為：500 mm (a, b), 150 mm (c) and 20mm (d, f, h, i)。

?圖3：氧化石墨烯無紡布和石墨烯無紡布的表征

(a) 氧化石墨烯無紡布、水合肼還原的石墨烯無紡布、不同溫度煅燒還原的石墨烯無紡布(1000, 2000 和3000 ^oC)的XPS圖。

(b) 氧化石墨烯無紡布、水合肼還原的石墨烯無紡布、不同溫度煅燒還原的石墨烯無紡布的XRD圖。

(c)?氧化石墨烯無紡布、水合肼還原的石墨烯無紡布、不同溫度煅燒還原的石墨烯無紡布的拉曼圖。

(d) I_D/I_G比值的變化。

?圖4：石墨烯無紡布的電熱性和導電性

(a) 130GFF（針頭直徑為130μm制得的石墨烯無紡布）與200GFF（針頭直徑為130μm制得的石墨烯無紡布）的導熱性和導電性對比圖。

(b) 石墨烯無紡布與二維自組裝的碳納米管和石墨烯關于比導熱率和比導電率對比圖。

?圖5：氧化石墨烯無紡布和石墨烯無紡布的微觀形貌

(a)-(c)分別為130GFF，130GFF煅燒3000 ^oC (130GFF-3000)與200GFF的SEM圖。

(d)-(f) 分別為130GFF，130GFF煅燒3000 ^oC與200GFF的高倍率SEM圖。

(g) 煅燒還原前，130GOFF表現為X型交叉結結構。

(h) 3000 ^oC下煅燒還原后，130GFF-3000表現為Y型交叉結結構。

(i) 130GFF-3000破碎邊緣部分仍保持Y型交叉結結構。

其中，上述圖的比例尺分別為：500 mm (a-c), 100 mm (d, e, f, i) and 50 mm (g, h).

圖6：石墨烯無紡布的結構穩定性和力學性能研究

石墨烯無紡布的電阻率的變化：彎曲半徑達到1.5mm (a), 重復彎曲1000循環 (b), 彎曲-打開循環10次。

(d) 與200GFF-3000的應力-應變曲線圖，插圖為130GFF-3000的應力-應變放大圖。

(e) 在外張應力作用下，石墨烯無紡布的斷裂過程圖。

(f)-(g) 分別為石墨烯無紡布斷裂過程中，第二階段和第三階段的裂紋擴張SEM圖，比例尺為100 μm。

?圖7：石墨烯無紡布的電熱性能研究

(a) 石墨烯無紡布用于電加熱的裝置圖。

(b) 在施加不同電壓下，石墨烯無紡布 (面積為4×2 cm²) 的溫度曲線圖。

(c) 升溫速率與降溫速率的最大值與輸入功率所能達到的飽和溫度的關系圖。

(d) 施加不同頻率電壓，石墨烯無紡布的溫度隨著電壓的響應曲線圖。

(e) 上半部分為石墨烯無紡布平鋪、彎曲180^o以及彎曲100循環后的電壓與飽和溫度關系圖，下半部分為石墨烯無紡布平鋪和彎曲180^o的紅外圖。

(f) 通過石墨烯無紡布中心水滴的蒸發過程表征變化，上半部分為溫度演變和時間的關系圖，下半部分為液滴揮發過程的紅外圖。

?圖8：石墨烯無紡布的吸油性能研究

(a) 對于不同有機物，石墨烯無紡布的吸附總量圖。

(b)-(c) 石墨烯無紡布在水中經過劇烈攪拌仍舊保持原來的形狀。

(d) 石墨烯氣凝膠在水中經中度攪拌下變成碎片。

(e) 在庚烷中石墨烯吸油氈表現杰出的快吸能力(不超過1s)。

(f) 石墨烯吸油氈的循環吸附性能圖。

(g) 石墨烯吸油氈經過20次吸附-燃燒循環，其形貌和結構沒有發生變化，比例尺為50 μm。

【小結】

綜上所述，研究人員在連續化濕法紡絲技術的基礎之上成功研制出了第一塊由純石墨烯纖維構成的織物。這種石墨烯纖維無紡布具有非常好的柔性，導電和導熱性能分別達到28000 S/m和301 W/mK，而密度僅有0.22 克每立方厘米，其比導電率和比導熱率遠遠高于已報道的碳基二維織物、薄膜材料及商業化的碳纖維紙。同商業化的電加熱元件相比，石墨烯纖維無紡布具有快速熱響應及高工作溫度等顯著優勢。同時，該無紡布對有機物的吸附量和吸附速度明顯優于商業化的吸油氈。基于以上優異性能，石墨烯纖維無紡布可被用作能源領域的電極材料、快速高效的電熱織物以及吸附有機物的吸油紙。

文獻鏈接：Multifunctional non-woven fabrics of interfused graphene fibres?（Nat.?Commun. 2016, DOI: 10.1038/ncomms13684）

該文獻匯總由材料人編輯部納米學術組王暢供稿，材料牛編輯整理。

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