北京理工大學Adv. Mater.綜述: 石墨烯基纖維：制備和應用的最新進展

【引言】

便攜式和可穿戴電子產品的出現、持續發展及其在健康護理、無線通信、移動電視等新應用極大地提升了人們的生活。在這些設備中，基于纖維的設備由于其柔軟性、高強度、多功能性以及易于與現代紡織工業結合而展現出較高需求。目前，金屬線、碳纖維和碳納米管等材料已經成功地用作基底來制備纖維性設備，但是金屬較重和碳纖維/碳納米管價格偏高等缺點限制了其在柔性可穿戴電子產品中的大規模應用。石墨烯及其衍生物（包括氧化石墨烯（GO）和還原氧化來石墨烯（RGO）），近年已被廣泛研究用于制備石墨烯基纖維（GBF）。這些微觀2D石墨烯構筑基元的宏觀1D自組體具有重量輕、高比表面積和優異的機械、電學性能，使其成為纖維電子設備的理想材料。

【成果簡介】

近日，北京理工大學張志攀教授（通訊作者）與曲良體教授（通訊作者）合作在國際著名期刊Adv. Mater.上發表了題為"Graphene-Based Fibers: Recent Advances in Preparation and Application"的綜述文章。在該綜述中，作者主要關注過去幾年GBF的最新研究進展，并介紹了制備技術、性能增強策略和新應用的進展，最后還指出了GBF未來發展的前景。

【圖文導讀】

圖1?石墨烯基纖維在制備和應用方面的進展

(a, b) 具有不同GO納米片排列的GBF的形貌；

(c, d) 通過CVD方法合成的GBF的形貌；

(e) 仿生強化策略示意圖；

(f) 顯示金屬摻雜GBFs的示意圖；

(g) GBF的電化學性質；

(h) 基于GBF的濕度傳感器；

(i) 由GBF制成的自供電設備；

(j) GBF電池的充-放電曲線。

圖2 紡絲方法制備GBF

(a) 用于制備夾層GO/PVA-藻酸鹽/GO結構的纖維紡絲裝置；

(b) 通過三通道噴絲頭制備核殼結構GBF的紡絲工藝示意圖；

(c) 利用GO/ NIPAM串聯的紡錘打結型藻酸鹽纖維結構的紡絲過程；

(d) 將GO納米片排列在堆疊良好的管壁中得到GBF；

(e) 通過垂直排列的GO納米片制備GBF。

圖3?凝固浴和干紡法制備GBF

(a) 用于研究GO片材流動驅動排列和水凝膠纖維形成的實驗裝置示意圖；

(b, c) GO納米片均一排列以及GO納米片平行于GBF的軸向的各向異性GBF的SEM圖像；

(d) 均一排列GBF和各向異性GBF中離子傳輸的示意圖；

(e) 干燥過程中干紡GBF的SEM圖像和結構演變示意圖；

(f) 在接觸界面處形成GO/PEI纖維的照片。

圖4 中空纖維膜的制備及其結構

(a) 用于CO₂捕獲的GO中空纖維膜的制備示意圖；

(b) GO/PEDOT:PSS混合中空纖維形成的示意圖；

(c) 中空纖維末端的SEM圖像；

(d) 固態纖維和中空纖維上的電荷分布示意圖。

圖5 扭曲結構GBF的制備

(a) 用于制備螺旋GBF的濕度輔助自支撐條帶滾動方法的示意圖；

(b) GBF電毛細吸管的示意圖；??????????????

(c) 基于扭曲GBF的可穿戴加熱器的照片和紅外圖像；

(d) 將GO循環沉積到SWNT骨架上的示意圖和照片；

(e) 扭曲的20mm長GBF的SEM圖像。

圖6 仿生強化策略提高GBF的機械性能

(a) 利用仿生強化策略制備石墨烯@C纖維的示意圖；

(b) 具有仿貽貝結構的GBF制備示意圖；

(c) 金屬摻雜GBF的導電性；

(d) 最近報道GBF在機械強度和電導率方面與濕紡RGO、Ag-GBFs等的比較。

圖7 基于GBF的鋰離子電池和鋰硫電池?

(a) 制備RGO/二氧化鈦雜化纖維作為鋰離子電池高效陽極的示意圖；

(b) 具有自愈能力的準固態全纖維鋰離子電池的構造示意圖；

(c) 纖維鋰離子電池在直線、彎曲和打結狀態下的柔性展示照片；

(d) 用于鋰硫電池的RGO/CNT/S纖維的制備示意圖；

(e) 鋰硫電池組裝的示意圖；

(f) 由鋰硫電池供電4小時的發光二極管的照片；

(g) 鋰硫電池在彎曲和壓縮狀態下為LED供電的照片。

圖8 基于GBF的超級電容器

(a) GBF超級電容器在10到2000 V S^-1不同掃描速率下的CV曲率；

(b) 輸入AC信號和整流脈動DC信號；

(c) 由N摻雜GBF的超級電容器供電的各種電子設備照片；

(d) 由GO/PANI雜化水凝膠制成的可拉伸超級電容器的制備示意圖；

(e) 含有GBF的高度可拉伸超級電容器的構筑過程；

(f) 自修復、可拉伸超級電容器的組裝示意圖。

?圖9 基于GBF的電化學傳感器

(a, b) 配備無線通信模塊用于檢測呼吸濕度的便攜式濕度傳感器；

(c) 使用(a)中所示的傳感器實時檢測呼吸濕度結果；

(d) RGO纖維、WO₃-RGO纖維和thorn-bush結構的WO₃-RGO纖維的電阻變化；

(e) 將GBF 化敏電阻器集成在手表、眼鏡和Kimtech紙上以及用于實時NO₂氣體檢測的信號傳輸模塊的照片。

圖10?多功能性GBF

(a) 自供電纖維的制備和工作原理示意圖；

(b) 電化學處理中電壓輸出和施加電位的相關性；

(c) 在不同伸長率和恒定電流密度為142 mA cm^-1條件下，可拉伸電熱彩色纖維的照片和熱成像；

(d, e) 無紡織物在直線和彎曲狀態下的照片；

(f) 無紡織物的SEM圖像；???????

(g) 3D石墨烯纖維制備過程示意圖；

(h) 3D石墨烯纖維的SEM圖像。

【小結】

本文中，作者介紹了濕紡法的新型噴絲頭和凝固浴系統，其不僅豐富了GBF的功能化，還簡化了復雜結構纖維的制備工藝。除了這些方法之外，還開發了諸如化學氣相沉積和扭曲處理等新興技術以滿足GBF在應變傳感器、可拉伸超級電容器和多功能致動器中的不同應用。此外，通過仿生強化策略也實現了GBF的機械性能和電學性能的業顯著提高。基于上述新穎的結構和顯著增強的機械/電學性能，GBF找到了它們的在鋰離子/鋰硫電池、超級電容器以及電化學傳感器等的實質用途。最后，作者指出了GBF未來需要進一步解決的問題和發展方向：1. 探索可靠且方便的方法來制備具有令人滿意的機械/電學性能的GBF；2.需要解決纖維超級電容器和電池中電解質的封裝和安全問題；3. 充分考慮GBF裝置的適用性和長期穩定性；4. 將多個設備集成到一個GBF實體中仍處于起步階段。

文獻鏈接：Graphene-Based Fibers: Recent Advances in Preparation and Application?(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201901979)

本文由biotech供稿，材料牛審核整理。

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