一种石墨烯纤维及制备方法与流程

本发明涉及一种电导率可控的石墨烯纤维及制备方法，概括地讲，本发明是以氧化石墨烯胶体为前驱体，采用水热反应，并经过室温干燥处理，得到直径尺寸均一、表面呈现平行定向性沟壑结构的石墨烯纤维，石墨烯纤维的电导率可以通过改变氧化石墨烯纳米片的横向尺寸调控。

背景技术：

自从2004年geim等人用胶带剥离法从热解石墨中首次获得单层石墨烯以来，石墨烯以其独特的二维纳米结构和优异的物理化学以及生物学性质，日益在物理、化学、材料学、生物学等领域引发关注。石墨烯纤维(包括氧化石墨烯纤维或还原氧化石墨烯纤维)是石墨烯基纳米片，通过湿法纺丝技术、薄膜收缩法、受限水热法、模板辅助等方法，无需载体和添加粘结剂的条件下，沿轴向方向自组装排列形成宏观三维结构的新一代结构功能一体化碳基纤维材料；将石墨烯的优良性能转移到石墨烯纤维，以期获得高的电导率等特性。与本征石墨烯纳米片相比，三维结构的石墨烯纤维具有轻质、更易操控的特点，有望拥有单个石墨烯纳米片或传统材料所不具备的特殊性质。

目前国内所报道的石墨烯纳米纤维多采用静电纺丝方法制备，也有采用水热合成方法制备还原氧化石墨烯微米纤维的报道，如专利公开号cn106592007b：石墨烯微米纤维、制备方法、神经组织支架及修复系统，所制备的石墨烯基微米纤维表面呈现规则一致的纳米多孔结构，但是不具有一定的方向性；导电性的提高是通过掺入导电聚合物聚乙撑二氧噻吩来实现的。

本发明在于提出了一种通过调控前驱体氧化石墨烯的片层大小，经过一维受限水热组装方法，无需添加还原剂、粘结剂和其它导电材料，即可制得电导率可控、表面呈现规则沟壑图案的石墨烯纤维。综合以上提及的应用领域，本发明提出的高电导率石墨烯纤维有巨大实用前景。

技术实现要素：

本发明提出了一种石墨烯纤维及制备方法，与现有技术相比，该方法的突出优点是，本发明没有通过其它复合或掺杂等手段，直接利用不同尺寸的氧化石墨烯纳米片制备电导率可控的微米纤维，材料制备成本低廉，可重复性好，操作过程简单，杂质引入少。

一种石墨烯纤维及制备方法的具体步骤如下：

1)采用改进的hummers方法，制备氧化石墨胶体；

2)采用超纯水配置5-12mg/ml的氧化石墨胶体，超声分散，时间为20-100min，得到混合均匀的氧化石墨烯胶体；

3)将氧化石墨烯胶体用注射器注射至直径为0.2-1.2mm的毛细管内，封闭毛细管，进行水热反应，然后室温干燥得到石墨烯纤维。

本发明中，步骤1)选用制备氧化石墨烯胶体的鳞片石墨，粒度20-350目。

本发明中，步骤2)超声功率为50-500w。

本发明中，步骤3)中的水热反应时间为30-480min。

本发明中，步骤3)中石墨烯纤维干燥是在玻璃管中完成的。

一种石墨烯纤维，其特征在于，结合原子力显微镜、傅立叶变换红外光谱测试、扫描电子显微镜观察和电化学工作站线性伏安扫描法测定纤维的导电性，石墨烯纤维直径尺寸分布均一，表面呈现平行定向性沟壑结构，沟壑尺寸和导电性范围可通过改变前躯体氧化石墨烯片层尺寸调控，氧化石墨烯纳米片的厚度为1nm以内，片层大小控制范围为2.12～9.22μm，沟壑尺寸的范围在0.81～1.73μm，电导率范围为345.58～443.41s/m。

附图说明：

图1.1和图1.2是实施实例中氧化石墨烯前驱体的原子力显微镜图。

图2是实施实例中氧化石墨烯前驱体扫描电子显微镜图。

图3.1和图3.2是实施实例中石墨烯纤维表面的扫描电子显微镜图。

图4是实施实例中，氧化石墨烯前驱体和石墨烯纤维傅立叶变换红外光谱图。

图5是实施实例中，用电化学工作站测得的石墨烯纤维伏安特性曲线。

具体实施方式：

实施实例：

一种石墨烯纤维及制备方法的实验条件及参数如下：

1)称取32目鳞片石墨2g，倒入96ml浓硫酸(98％wt)中，加入2g硝酸钠，充分搅拌后，缓慢加入12g高锰酸钾后，进行冰水浴处理，搅拌90min，然后将温度升至35℃，再搅拌2h；将280ml超纯水分两次缓慢加入上述混合液中，缓慢滴加双氧水(30％wt)至无气泡产生；溶液经离心机高速离心后，经10％稀盐酸离心清洗三次，最后使用去离子水清洗至ph值呈中性，得到氧化石墨胶体。

2)用超纯水稀释，配置8mg/ml的氧化石墨胶体，选取120w功率，超声30min，得到氧化石墨烯胶体。

3)将氧化石墨烯胶体用注射器注射至直径为1.0mm的毛细管内，封闭毛细管两端，进行水热反应，时间为120min，将纤维室温干燥得到石墨烯纤维。

根据上述发明所举的方法，可以制备出石墨烯纤维，其特征如下：

1)对所制备的氧化石墨烯纳米片进行原子力显微镜分析。结果表明，氧化石墨烯片层有明显的褶皱，如图1.1所示；从图1.2中可以得到氧化石墨烯片层厚度，约为1nm，为少层氧化石墨烯。

2)对所制备的氧化石墨烯纳米片进行扫描电子显微镜观察，如图2。统计结果表明，氧化石墨烯粒径大小为5.81±3.42μm。

3)对所制备的石墨烯纤维进行扫描电子显微镜分析。从图3.1中可以看出，纤维直径约为63.19±1.32μm；从图3.2中可以看到氧化石墨烯的褶皱结构，而且纤维表面呈现定向排列的沟壑图案，沟壑的尺寸为1.70±0.48μm，氧化石墨烯纳米片被规则地组装成为三维结构。

4)对所制备的石墨烯纤维和前驱体氧化石墨烯进行傅立叶变换红外光谱分析。如图4所示。氧化石墨烯分别在1050cm^-1、1390cm^-1、1630cm^-1、1730cm^-1处有环氧基伸缩振动峰、边缘羟基伸缩振动峰、c＝c双键峰、边缘羧基伸缩振动峰；与之相比，石墨烯纤维的羟基、羧基和环氧基团所在峰位强度均减弱，c＝c键峰强则提高。由此可见，经受限水热反应，前驱体氧化石墨烯的含氧官能团得到了部分去除。

5)将所制备的石墨烯纤维做成1cm长的电极，采用电化学工作站线性伏安扫描法测试其伏安特性曲线。经计算得到石墨烯纤维的电导率为443.41s/m。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种石墨烯纤维及制备方法，概括地讲，本发明是以氧化石墨烯胶体为前驱体，采用水热反应，并经过室温干燥处理，得到一种电导率可控的石墨烯纤维，调控范围为345.58‑443.41S/m。本发明在于提出了一种通过调控前驱体氧化石墨烯的片层大小，经过一维受限水热组装方法，无需添加还原剂、粘结剂和其它导电材料，即可制得电导率可控、表面呈现规则沟壑图案的石墨烯纤维。该方法制备成本低廉，可重复性好，操作过程简单，杂质引入少。制备出来的石墨烯纤维在能源存储与转化、生物医用、环保和多功能材料等领域具有广阔的应用前景。

技术研发人员：王欣;刘洋;杨宇民;郑先亮
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2019.07.10
技术公布日：2019.09.06