北京化工大学于中振教授/张好斌教授团队AFM：基于氧化石墨烯表面化学调控制备高强高韧石墨烯纤维
作为石墨烯的一维宏观组装体，石墨烯纤维因其优异的电导率、热导率以及突出的机械性能，在柔性电子器件、多功能织物、生物医学、航空及国防领域都有极大的应用潜力，引起了科学家们的广泛研究。为了恢复石墨烯片层因氧化造成的结构缺陷，同时实现石墨烯纤维的高力学强度与高导电性能，多采用高温热还原对氧化石墨烯（GO）纤维进行处理。虽然高温热还原处理过后的石墨烯纤维具有极高的断裂强度与拉伸模量，但其断裂伸长率和韧性较差，表现出硬而脆的特性，限制了其在柔性、耐弯折电子或功能织物等方面的应用。另一方面，高温热还原的温度一般达到2000 ℃以上，需要消耗大量能量以及时间，不利于石墨烯纤维的高效制备。因此，如何采取简单高效的方法来制备兼具高强度与高韧性的导电石墨烯纤维，已成为当前高性能石墨烯纤维研究中的巨大挑战。
本文亮点
1) 通过优化GO前驱体表面化学，获得低结构缺陷和含痕量羧基的GO纳米片（f-GO），使用f-GO分散液进行湿法纺丝，得到结构高度有序、片层间π-π相互作用和范德华力更强的f-GO纤维。由于较弱的亲水性，f-GO凝胶纤维脱水速度较快，表面易形成较多的分叉褶皱，有利于拉伸过程中力学性能的提升。
2) 详细研究了纺丝参数对f-GO纤维表面褶皱和片层排列的影响，通过纺丝参数的调控促进f-GO纳米片的排列，形成紧密堆叠的内部结构，进一步提升f-GO纤维力学性能，其拉伸强度高达791.7 MPa，韧性高达24.0 MJ m-3。
3) 仅含痕量羧基和低缺陷的f-GO纳米片层的本征结构缺陷较少，且绝大多数表面基团是容易被化学还原的羟基和环氧基，通过温和高效的化学还原策略，制备得到高强高韧高导电的石墨烯纤维，拉伸强度达875.9 MPa，韧性达13.3 MJ m-3，导电高达105 S m-1，这大大加快了石墨烯纤维的制备进程，为推动石墨烯纤维的低成本、高效制备提供了新思路。
图1. f-GO前驱体、f-GO纤维、化学还原f-GO纤维的制备流程图。
图2. f-GO与h-GO（a-h）表面化学、结构和流变性能的差异，以及（i）f-GO纤维的形貌展示。
图3. f-GO纤维与h-GO纤维的（a-b）表面褶皱形貌、（c-f）断裂行为差异及（g）潜在的f-GO纤维断裂机理。
图4. 调控（a-c）纺丝针头直径和（d-i）牵伸比对f-GO纤维表面形貌、片层排列的影响和力学性能的优化。
图5. 化学还原f-GO纤维的（a）导电性能、（b-d）机械性能和（e-f）焦耳热性能。
相关工作以“Tough, Strong, and Conductive Graphene Fibers by Optimizing Surface Chemistry of Graphene Oxide Precursor”为题发表在 Advanced Functional Materials （DOI:10.1002/adfm.202112156）期刊上。论文第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院硕士毕业生汤萍萍和博士生邓志明，通讯作者为北京化工大学张好斌教授。该论文得到了国家自然科学基金和中央高校基础研究基金的资助。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202112156
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