當前，石墨烯纖維材料作為制備柔性電子器件的一種優(yōu)選材料得到廣大科研人員的關注，在柔性儲能器件和智能傳感器件等領域有著巨大的應用潛力。但由于石墨烯片層嚴重堆疊及其自身天然的疏水性帶來比表面積小、與電解液親和性不佳等缺點，極大地限制了石墨烯優(yōu)異的理論電化學性能在宏觀材料中的發(fā)揮。
為此，東華大學朱美芳教授團隊在前期的研究工作中開發(fā)了一種石墨烯溶液的非液晶紡絲方法，通過堿液調節(jié)溶液中石墨烯片層表面的帶電性，使片層間產(chǎn)生強烈的靜電排斥力，形成無序排列，規(guī)；B續(xù)制備得到具有高電化學性能的多孔純石墨烯纖維（Nano Energy, 2015, 15, 642），并取得了一系列的研究進展。該團隊通過這種方法得到具有高強度、高親水性及高電化學性能的聚乙烯醇/石墨烯雜化纖維（Journal of Power Sources, 2016, 319, 271）。他們進一步通過多組分雜化組裝將帶有贗電容特性的無機納米粒子（例如MnO2、MoO3等）作為納米活性組分，制備得到具有高電化學性能的雜化石墨烯纖維（Journal of Power Sources, 2016,306, 481; Carbon, 2017, 113, 151）。
近期，該團隊在前期的工作基礎上，利用纖維素納米晶具有一維棒狀剛性結構、表面富含親水性基團的特點，將其作為納米增強單元，通過上述紡絲方法，結合化學還原獲得了多組分異質組裝的rGO/CNC雜化纖維。研究發(fā)現(xiàn)，該策略獲得的石墨烯雜化纖維具有多方面優(yōu)勢：第一，CNC的納米棒狀形態(tài)不僅能夠與石墨烯片層形成插層結構，改善石墨烯纖維中石墨烯片層堆積嚴重的現(xiàn)象，而且還能抑制石墨烯片層在纖維成形過程中可能存在的彎曲和折疊，使其在纖維軸向上排列，從而形成有序的納米孔道結構（如圖1a所示），為電解質傳輸提供暢通無阻的納米通道；第二，由于自身的剛性結構，CNC不會在石墨烯片層表面形成如同高分子鏈包覆的狀態(tài)，在增強其性能的同時，維持石墨烯片層在纖維軸向的有效連接，保證雜化石墨烯纖維的高導電性（如圖1b所示）；第三，CNC表面豐富的親水性基團不僅能與石墨烯片層表面殘留的含氧官能團（羥基、羧基、碳基等）形成強作用的氫鍵網(wǎng)絡，有效增強其力學性（如圖1c所示），而且其親水性納米單元能賦予石墨烯高親水性（如圖1d所示），有效提高纖維與電解質溶液的親和性。
圖1. 雜化石墨烯纖維的截面電鏡圖（a）、電導性（b）、力學性能（c）及其親水性能（d）
隨后，他們將得到的雜化石墨烯纖維組裝成超級電容器，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的電化學性能，同時具備優(yōu)異的串并聯(lián)性及柔性（如圖2a-b所示），在同類超級電容器中具有相對較高的能量密度和功率密度（如圖2c所示）。
圖2. 雜化石墨烯纖維制備得到超級電容器的串并聯(lián)性（a）、彎曲測試（b）及其Ragone圖（c）
因此，以上研究表明，該雜化石墨烯纖維作為柔性電極材料在可穿戴電子器件，特別是柔性超級電容器領域具有廣闊的應用前景。這一成果近期發(fā)表在Carbon 上。
論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622317311156
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