將石墨烯片組裝成宏觀纖維，石墨層沿纖維軸單軸排列，具有基礎(chǔ)和技術(shù)重要性。然而，石墨烯基纖維的最佳性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基于單個(gè)石墨烯性能的預(yù)期。在這里，研究表明，如果通過共價(jià)共軛芳香酰胺鍵在石墨烯邊緣之間形成橋，則可以顯著改善石墨烯基纖維的機(jī)械性能和導(dǎo)電性。電導(dǎo)率的提高可能是由于芳香酰胺橋接石墨烯片上電子共軛的延長。較大的片材還可以改善 π-π 堆疊，與堅(jiān)固的芳香酰胺鍵一起提供高機(jī)械強(qiáng)度。在本次的實(shí)驗(yàn)中，在芳香胺連接體存在下，使用已建立的濕紡技術(shù)橋接石墨烯邊緣，該連接體選擇性地與石墨烯邊緣位點(diǎn)的羧基反應(yīng)。該技術(shù)已經(jīng)工業(yè)化，并且可以輕松升級(jí)。因此，本研究的方法為在最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)條件下制造高性能宏觀石墨烯纖維鋪平了道路。
圖1. 原理圖顯示了裝配過程的原理。平面內(nèi)芳香酰胺鍵是由氧化石墨烯(GO)薄片的邊緣?mèng)然c芳香胺的選擇性反應(yīng)產(chǎn)生的，綠色陰影區(qū)域突出顯示。氧化石墨烯和酸催化直接酰胺化。
b由有序堆疊的芳酰胺橋接石墨烯片構(gòu)成的纖維。插圖:浸沒在混凝劑胺中的兩張邊緣相連的獨(dú)立膠片的數(shù)字圖像;連接的邊緣轉(zhuǎn)換為深色。芳香酰胺鍵產(chǎn)生了擴(kuò)展的共軛和增強(qiáng)的π-π相互作用，這與鍵固有的共價(jià)特性一起，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性和導(dǎo)電性。
圖2. 通過選擇性邊緣連接，將GO片組裝成具有高度定向和有序堆疊結(jié)構(gòu)的帶狀宏觀纖維的過程示意圖。為便于比較，還舉例說明了GO片無序組裝成具有通常觀察到的圓形截面的纖維，由于沒有約束，這復(fù)制了針的幾何結(jié)構(gòu)。（b）具有酰胺橋的纖維和（c）對(duì)照纖維的典型橫截面SEM圖像。（d）酰胺連接纖維的橫截面切片和（e）橫截面切片的代表性HR-TEM圖像。石墨烯纖維的二維WAXS衍射圖。赤道和經(jīng)向散射方向用青色和棕色箭頭表示。顏色條是指以任意單位表示的強(qiáng)度。g（002）峰的（f，h）方位掃描積分曲線的赤道軸和經(jīng)向軸積分得到相應(yīng)的一維散射剖面。
圖3. 酰胺連接GO纖維的固態(tài)
13C交叉極化NMR譜。凍干GO和酰胺連接GO纖維的b XPS C 1s光譜，（C）最佳酰胺連接GO纖維的N 1s光譜。為了標(biāo)記N的類型，還顯示了用過量胺和脂肪族銨鹽制造的纖維的數(shù)據(jù)。酰胺連接GO纖維在NMP中軸向和堆積方向溶脹的三維光學(xué)圖像；右面板：纖維的XRD圖案。各向異性溶脹和較長的溶脹時(shí)間證實(shí)了在邊緣存在選擇性酰胺鍵和增強(qiáng)的π-π相互作用。誤差條對(duì)應(yīng)于來自至少15個(gè)位置的獨(dú)立測(cè)量的統(tǒng)計(jì)誤差。用激光衍射法對(duì)膨脹的酰胺橋聯(lián)GO纖維和原始GO纖維分層片的膠體進(jìn)行了粒度分布比較。
圖4. 石墨烯纖維化學(xué)還原前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；虛線是副本數(shù)據(jù)。b機(jī)械強(qiáng)度與文獻(xiàn)中報(bào)告值的比較。（c）酰胺橋聯(lián)石墨烯纖維和（d）未連接的控制纖維的拉曼G帶頻率下降與外加載應(yīng)變的關(guān)系。酰胺連接石墨烯纖維的集體斷裂機(jī)制和純物理非鍵相互作用的控制纖維的分裂斷裂機(jī)制。
相關(guān)研究成果由北京石墨烯研究院Fengxia Geng課題組2024年發(fā)表在Nature Communications (鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-024-49270-5)上。原文：Covalently bridging graphene edges for improving mechanical and electrical properties of fibers
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
