Nature子刊：无序石墨烯纤维组成多功能石墨烯无纺布

【引语】

2016年11月16日，Nat. Commun. 网站在线发表了题为“Multifunctional non-woven fabrics of interfused graphene fibres”的文章。该文章的第一作者为来自浙江大学的李拯，通讯作者为浙江大学的高超教授。在这篇快讯（Communication）文章中，研究人员在连续化湿法纺丝技术的基础之上成功研制出了第一块由纯石墨烯纤维构成的织物。该石墨烯织物完全由石墨烯纤维构成，无需添加任何粘接剂，仅利用氧化石墨烯纤维间的自融合现象使得纤维在接触结点处融为一体。

【成果简介】

碳基纤维织物作为一种高性能的特殊织物在可穿戴器件和能源等诸多领域发挥着重要作用。碳基纤维具有耐高温、不溶且强分子间相互作用力的特点，使得碳基纤维编织物的整体性能相对碳基纤维有明显的下降。一维石墨烯纤维是由纳米级的单层氧化石墨烯片，不但强度高，而且韧性好，可以打成结或者编织成导电的纤维编织物。现有化学气相沉积法、静电纺丝法用于制备石墨烯网状编制物。为实现高导热率和导电率的石墨烯网状编织物，本文中的研究人员在连续化湿法纺丝技术的基础之上成功研制出了第一块由纯石墨烯纤维构成的织物。该石墨烯织物完全由石墨烯纤维构成，无需添加任何粘接剂，仅利用氧化石墨烯纤维间的自融合现象使得纤维在接触结点处融为一体。因此，该石墨烯纤维织物在高温石墨化后表现出极高的结构稳定性和导电导热性能。同时，该织物借用了无纺布的结构形式，使石墨烯短纤维随机取向并搭接成网络结构，大大简化了制备过程，有利于规模化生产。

【图文导读】

图1.通过湿法融合组装技术制备石墨烯纤维无纺布

(a)湿法纺丝法制备人造氧化石墨烯短纤维。

(b)初步干燥氧化石墨烯纤维。

(c)将干燥后的氧化石墨烯纤维分散在乙醇和水的混合液中。

(d)过滤得到湿法融合组装的。

(e)干燥后得到褐色的氧化石墨烯无纺布。

(f)经高温或化学还原得到由杂乱无序的石墨烯纤维组成的黑色石墨烯无纺布。

 图2：湿法融合组装机理以及氧化石墨烯无纺布和石墨烯无纺布的形貌

在(a) 光学显微镜和(b) 光学显微镜下，氧化石墨烯纤维分散在乙醇和水的混合液中的形貌。

(c) 湿法融合后的氧化石墨烯纤维在光学显微镜和光学显微镜下的形态。

(d) 在发光二极管照射下，厚度为0.05 mm的氧化石墨烯无纺布呈多孔浅棕色。

(e) 厚度为3 mm的石墨烯无纺布呈黑棕色。

(f) 进高温煅烧还原的石墨烯无纺布可用于光和空气过滤。

(g) 氧化石墨烯无纺布（左图）与石墨烯无纺布（右图）对比表明：还原后无纺布的直径和颜色有轻微的变化。

(h) 石墨烯无纺布布条缠绕在玻璃棒上。

(i) 四个不同直径和厚度的石墨烯无纺布。

其中，上述图的比例尺分别为：500 mm (a, b), 150 mm (c) and 20mm (d, f, h, i)。

 图3：氧化石墨烯无纺布和石墨烯无纺布的表征

(a) 氧化石墨烯无纺布、水合肼还原的石墨烯无纺布、不同温度煅烧还原的石墨烯无纺布(1000, 2000 和3000 ^oC)的XPS图。

(b) 氧化石墨烯无纺布、水合肼还原的石墨烯无纺布、不同温度煅烧还原的石墨烯无纺布的XRD图。

(c) 氧化石墨烯无纺布、水合肼还原的石墨烯无纺布、不同温度煅烧还原的石墨烯无纺布的拉曼图。

(d) I_D/I_G比值的变化。

 图4：石墨烯无纺布的电热性和导电性

(a) 130GFF（针头直径为130µm制得的石墨烯无纺布）与200GFF（针头直径为130µm制得的石墨烯无纺布）的导热性和导电性对比图。

(b) 石墨烯无纺布与二维自组装的碳纳米管和石墨烯关于比导热率和比导电率对比图。

 图5：氧化石墨烯无纺布和石墨烯无纺布的微观形貌

(a)-(c)分别为130GFF，130GFF煅烧3000 ^oC (130GFF-3000)与200GFF的SEM图。

(d)-(f) 分别为130GFF，130GFF煅烧3000 ^oC与200GFF的高倍率SEM图。

(g) 煅烧还原前，130GOFF表现为X型交叉结结构。

(h) 3000 ^oC下煅烧还原后，130GFF-3000表现为Y型交叉结结构。

(i) 130GFF-3000破碎边缘部分仍保持Y型交叉结结构。

其中，上述图的比例尺分别为：500 mm (a-c), 100 mm (d, e, f, i) and 50 mm (g, h).

图6：石墨烯无纺布的结构稳定性和力学性能研究

石墨烯无纺布的电阻率的变化：弯曲半径达到1.5mm (a), 重复弯曲1000循环 (b), 弯曲-打开循环10次。

(d) 与200GFF-3000的应力-应变曲线图，插图为130GFF-3000的应力-应变放大图。

(e) 在外张应力作用下，石墨烯无纺布的断裂过程图。

(f)-(g) 分别为石墨烯无纺布断裂过程中，第二阶段和第三阶段的裂纹扩张SEM图，比例尺为100 µm。

 图7：石墨烯无纺布的电热性能研究

(a) 石墨烯无纺布用于电加热的装置图。

(b) 在施加不同电压下，石墨烯无纺布 (面积为4×2 cm²) 的温度曲线图。

(c) 升温速率与降温速率的最大值与输入功率所能达到的饱和温度的关系图。

(d) 施加不同频率电压，石墨烯无纺布的温度随着电压的响应曲线图。

(e) 上半部分为石墨烯无纺布平铺、弯曲180^o以及弯曲100循环后的电压与饱和温度关系图，下半部分为石墨烯无纺布平铺和弯曲180^o的红外图。

(f) 通过石墨烯无纺布中心水滴的蒸发过程表征变化，上半部分为温度演变和时间的关系图，下半部分为液滴挥发过程的红外图。

 图8：石墨烯无纺布的吸油性能研究

(a) 对于不同有机物，石墨烯无纺布的吸附总量图。

(b)-(c) 石墨烯无纺布在水中经过剧烈搅拌仍旧保持原来的形状。

(d) 石墨烯气凝胶在水中经中度搅拌下变成碎片。

(e) 在庚烷中石墨烯吸油毡表现杰出的快吸能力(不超过1s)。

(f) 石墨烯吸油毡的循环吸附性能图。

(g) 石墨烯吸油毡经过20次吸附-燃烧循环，其形貌和结构没有发生变化，比例尺为50 µm。

【小结】

综上所述，研究人员在连续化湿法纺丝技术的基础之上成功研制出了第一块由纯石墨烯纤维构成的织物。这种石墨烯纤维无纺布具有非常好的柔性，导电和导热性能分别达到28000 S/m和301 W/mK，而密度仅有0.22 克每立方厘米，其比导电率和比导热率远远高于已报道的碳基二维织物、薄膜材料及商业化的碳纤维纸。同商业化的电加热元件相比，石墨烯纤维无纺布具有快速热响应及高工作温度等显著优势。同时，该无纺布对有机物的吸附量和吸附速度明显优于商业化的吸油毡。基于以上优异性能，石墨烯纤维无纺布可被用作能源领域的电极材料、快速高效的电热织物以及吸附有机物的吸油纸。

文献链接：Multifunctional non-woven fabrics of interfused graphene fibres （Nat. Commun. 2016, DOI: 10.1038/ncomms13684）

该文献汇总由材料人编辑部纳米学术组王畅供稿，材料牛编辑整理。

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