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)低于基于單個石墨烯性能的預(yù)期。在這里，研究表明，如果通過共價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，與堅固的芳香酰胺鍵一起提供高機械強度。在本次的實驗中，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。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)薄片的邊緣羧基與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)展的共軛和增強的π-π相互作用，這與鍵固有的共價特性一起，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間證實了在邊緣存在選擇性酰胺鍵和增強的π-π相互作用。誤差條對應(yīng)于來自至少15個位置的獨立測量的統(tǒng)計誤差。用激光衍射法對膨脹的酰胺橋聯(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機械強度與文獻(xiàn)中報告值的比較。（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制和純物理非鍵相互作用的控制纖維的分裂斷裂機制。
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
