石墨烯纤维应用调研报告

1.新型功能纤维

石墨烯纤维的柔性使其可以被编织成各种宏观自支撑的编织物（图 3）或掺到棉纺织物中，具有良好的导电性以用在电子纺织物上。同时可以根据需要制成各种特殊形状的器件，如可伸缩的弹簧，透明、导电复合膜等。因为石墨烯纤维具有很好的导电性和高的弹性，可以用在柔性导线上。Gao 等证明银掺杂石墨烯纤维可拉伸 150%。即便在通电情况下，伸缩过程也不会对纤维结构造成破坏。

2.石墨烯纤维驱动器

能够快速、可逆地响应环境刺激，并具有形状可控能力的智能材料日益受到关注。以石墨烯为基础的材料显示出很多适合于驱动器的性能。与碳纤维相比，石墨烯纤维弹性好，易编织，质量轻并且更容易被修饰的特点。这使得石墨烯纤维在非传统的柔性器件中具有更大的应用优势。最近，制成了具有双层结构的石墨烯/聚吡咯（PPy）电化学纤维驱动器。用其可制成多臂的镊子和网状驱动器， 这些驱动器将在生物研究等领域有很大的应用前景。Qu课题组用激光定位还原氧化石墨烯纤维的方法制成了石墨烯/氧化石墨烯（G/GO）不对称纤维。G/GO纤维对湿度非常敏感。在潮湿环境中显示出复杂的、可控的并能按预期发展的形变。进而用 G/GO纤维可以制作概念性的新型纤维行走机器人，可以在两个载玻片之间移动。原理上，这个概念型机器人的行走速度可以通过调整相对湿度的交替周期和器件的长度来加快。 3.石墨烯纤维马达

常规的石墨烯纤维中，石墨烯片往往沿着纤维方向排列。将刚纺出的氧化石墨烯纤维水凝胶进行旋转加工，就获得螺旋的石墨烯纤维，见图4（a）。由于含氧官能团的存在，在一定湿度下，氧化石墨烯发生水分子的吸附与脱附现象，造

成石墨烯层间可逆的膨胀与收缩，从而诱发纤维的旋转运动，成为石墨烯马达。因此，当相对湿度交替变化时， 螺旋型氧化石墨烯纤维能够发生可逆的旋转，见图4（b）。最大旋转速度可达到5190 r·min-1。这种扭转石墨烯纤维（TGF）可以用作新型的湿度开关。利用 TGF的湿敏特性也可以制成湿度触发的发电机。即通过周围湿度的改变实现机械运动，进而转化为电能。图4（c）为当环境湿度改变时，TGF驱动磁铁转动并在铜线圈中感应出电流。尽管没有优化实验条件，这一发电机可以产生1 mV的开路电压以及40 μA的短路电流。

4.线状染料敏化太阳能电池

石墨烯纤维良好的机械和电学特性使其成为一种新的电极材料。Peng等发明了一种新的线状光伏器件，这种器件以石墨烯/铂复合纤维做对电极， 掺杂TiO2纳米管的Ti丝做工作电极。石墨烯纤维的高弹性、强度大、导电性好的特点使这种器件的能量转换效率最大达到8.45%，远高于其他线型光伏器件。用纺织技术可以将这些光伏线嵌入到衣服、 包以及其他便携物品中可作为新型自动发电装置。

5.石墨烯纤维超级电容器

石墨烯是很好的电化学电容器的电极材料。传统超级电容器一般比较笨重， 而高效的、小型化的超级电容器对发展柔性可穿戴电子器件非常重要。将高电导率的石墨烯纤维和高比表面积的三维石墨烯结合到一起形成核壳结构，可以作为新型的电化学纤维超级电容器电极。当涂覆H2SO4-PVA 凝胶电解质后，两个相互交织的纤维即组成全固态的纤维超级电容器，具有弹性好的特点，并可制成伸缩性好的弹簧超级电容器，也可以嵌入纺织物中用于可穿戴的电子产品 （图5）。

最近， Gao等研发了一个同轴湿法纺丝的方法直接制备出聚合物电解质包覆石墨烯/碳纳米管的纤维结构，两股这种纤维直接缠绕即形成纤维电容器，拥有高的电容量和能量密度。

6.固相微萃取吸附剂

固相微萃取（SPME）操作简单，易于与气相色谱（GC）、液相色谱、毛细管电泳和离子色谱等分离技术结合，因此被广泛应用于痕量有机污染物分析。与色谱连用时， SPME可以将取样、分离、富集和注射集于一体从而使分析过程更加简便。石墨烯作为涂层可应用到 SPME中， Chen等用其从环境水样中分离拟除虫菊酯类农药。与商用纤维产品相比，石墨烯不仅对目标分析物分离效率高，而且热稳定性和机械稳定性都有很大提升。Feng等用水热法合成用于SPME的石墨烯纤维，然后通过与气相色谱/电子捕捉检测器（GC/ECD）联用分析5种有机氯农药。结果表明，与常规纤维相比，石墨烯纤维对更高的富集因子有更好热稳定性，寿命更长。由于π-π堆积相互作用和疏水效应， 石墨烯纤维以直接浸入方式应用到毛细管气相色谱中，比芳香烃对正构烷烃的分离效率更高。此外，石墨烯纤维表现出卓越的耐久性，可以重复使用。

近几年，对石墨烯纤维的大量研究使人们获得了很多有趣的发现，并在石墨烯纤维的合成和应用上取得了很多突破性进展，尤其是将石墨烯片组装成宏观纤维， 推动了智能系统和器件的发展。其中代表性的应用包括纤维型驱动器、 机器人、马达、光伏电池及超级电容器等。目前为止，规模化生产石墨烯纤维的方法已经成熟，这为石墨烯纤维在未来器件中的应用打下了基础。并且，很多原位及后处理的功能化方法赋予了石墨烯纤维新的功能和特性。

与已经发展了很长时间的碳纤维相比，石墨烯纤维的研究还在起步阶段， 这

一领域还没有形成系统的理论，还有很多问题需要解决。例如，石墨烯纤维的机械强度和电导率有待提升。目前强度最大的石墨烯纤维是仿生石墨烯纤维，但只达到 0.65 GPa。作为一种新型纤维，石墨烯纤维的机械和电学特性仍然比不上金属线和碳纤维，这主要是因为纤维中石墨烯片堆叠相对松散。石墨烯纤维作为轻质导线，其电导率还是较低，在其中加入金属纳米线也许是解决这一问题的好方法。此外，石墨烯纤维是由石墨烯或氧化石墨烯纳米片聚集而成，这些材料的大小、缺陷、形状和化学组成都不确定，对最终石墨烯纤维各方面的性质影响很大。例如，由小片石墨烯和大片石墨烯制得的石墨烯纤维具有不同的机械特性。目前大多数的研究都聚焦于新的石墨烯纤维的合成方法，缺少对影响纤维性能的综合因素的系统研究。除此之外，尽管通过湿法纺丝能够实现石墨烯纤维的连续生产，但实际生产高质量石墨烯纤维还需要各领域的研究者共同努力。总之，从微观的石墨烯合成宏观的石墨烯纤维为新材料和器件的发展提供了新的机遇。随着对石墨烯组装过程的进一步理解，在不久的将来会出现高性能的石墨烯纤维， 而其新应用也将不仅是智能电子纺织物。