石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究.pdf

1、超級電容器在過去數(shù)十年間引起了研究者們的廣泛興趣，特別是當代社會便攜式、可穿戴式的電子產(chǎn)品的發(fā)展，使得超級電容器更加引人矚目。超級電容器可以高效地實現(xiàn)能量的儲存，并具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性及綠色環(huán)保等優(yōu)勢。開發(fā)出高能量轉(zhuǎn)換效率的電極材料，并組裝出高性能儲能器件，可以滿足柔性可穿戴電子產(chǎn)品的供能要求。由于石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)越的機械、電學(xué)性能以及比表面積等特性，因此宏觀石墨烯材料有望在柔性可穿戴式電子器件及能源等領(lǐng)域發(fā)揮重大的作用。在本論

2、文中，我們設(shè)計并構(gòu)筑了一系列結(jié)構(gòu)不同的石墨烯纖維，它們表現(xiàn)出優(yōu)越的電導(dǎo)率、強度及彈性性能，此外，它們在超級電容器等能量儲存領(lǐng)域也表現(xiàn)了突出的應(yīng)用價值。
　　以氧化石墨烯（GO）和脫氧膽酸鈉（NaDC）作為前軀體，通過超聲、攪拌制備得到復(fù)合水凝膠紡絲液。將該紡絲液通過注射器注入到乙醇中，洗滌得到半程有序結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯纖維，干燥并還原得到無序致密結(jié)構(gòu)的石墨烯纖維（GFs）。GFs的電導(dǎo)率高達3.08×104 S/m，強度為238 M

3、Pa，性能優(yōu)于濕紡法及水熱法做出的纖維。通過外力的輔助作用，對纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行有效調(diào)控得到長程有序且結(jié)構(gòu)致密的帶狀石墨烯纖維（GRs），該纖維具有更高的性能，其電導(dǎo)率為5.7×104 S/m，比GFs高了1.9倍，甚至高于用大片GO制備的GFs；GRs的強度（404 MPa）也相應(yīng)的提高了1.7倍，可以與退火后和大片GO制備的 GFs相媲美。此外，通過結(jié)構(gòu)調(diào)控，將石墨烯組裝成具有高彈性性能且長程有序螺旋結(jié)構(gòu)的帶狀石墨烯纖維（EGRs）

4、。這種特殊的長程有序螺旋結(jié)構(gòu)賦予EGRs超高的彈性性能，在拉伸應(yīng)變小于50％時，表現(xiàn)出優(yōu)越的彈性性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在整個拉伸和回復(fù)過程中甚至拉伸到70%時該EGRs的電阻均保持不變，其斷裂伸長率可達86%，遠遠大于目前制備的石墨烯纖維。EGRs在保持高彈性性能的同時還具有高電導(dǎo)率（3.55×104 S/m）和強度（102 MPa）。因此，有理由相信這三種不同結(jié)構(gòu)和性能的石墨烯纖維在柔性可穿戴電子能源領(lǐng)域有著很大的運用潛能。

5、　　通過進一步改進濕紡法工藝制備了具有三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯纖維，然后直接還原成多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯纖維（PGRs）。這種PGRs電極材料內(nèi)部獨特的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)能有效的防止石墨烯之間的再堆垛，擴大PGRs的可用比表面，特別是加大了電極材料內(nèi)部石墨烯比表面積的利用；同時水分子的存在能誘導(dǎo)凝膠電解質(zhì)的浸潤，從而能有效的解決石墨烯基電容器中電解質(zhì)的浸潤性問題。將PGRs與 H3PO4/PVA凝膠電解質(zhì)組裝成全固態(tài)纖維狀的超級電容器，測試發(fā)現(xiàn)PG