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高超教授课题组在高性能石墨烯纤维研究方面取得新突破

日期:2016-07-11 15:03

近日,浙江大学高分子科学与工程学系高超教授研究团队在石墨烯纤维的规模化制备以及石墨烯纤维的高性能化等方面取得了新突破,相关研究论文“Ultrastiff and Strong Graphene Fibers via Full Scale Synergetic Defect Engineering”“Superb Electrically Conductive Graphene Fibers via Doping Strategy”先后被国际著名学术期刊Advanced Materials (IF=18.96) 接连发表。

石墨烯纤维是石墨烯片沿轴向有序堆积排列而成的连续组装材料,是由高超教授团队首次提出并率先制备的高性能多功能新型碳基纤维,具有高导电、高导热、低密度等特性。石墨烯纤维已在柔性导线、超级电容器、太阳能电池、锂电池、传感器等方面显示出了诱人的应用前景,已成为一个新的学术研究热点方向。然而目前石墨烯纤维较弱的力学强度和较低的导电性能限制了其在功能性器件、可穿戴电子设备等领域的发展。因此如何提高石墨烯纤维的力学性能和导电性能、如何使石墨烯的本征优异特性在石墨烯纤维上最大程度的得以体现,已经成为石墨烯纤维研究中的关键问题。

针对这一问题,高超教授团队立足石墨烯纤维的结构调控及结构与性能关系,开展了系统深入的研究。首次提出了“全尺度协同缺陷工程”策略,通过优化湿法纺丝工艺、多级拉伸诱导取向、纤维细旦化、高温热还原等关键技术创新,成功地实现了高性能石墨烯纤维的规模化制备。所得到的石墨烯纤维直径最细可达1.6 μm(约为头发丝的五十至百分之一),力学强度最高可达2.2 GPa,杨氏模量最高可达400 GPa,导电率达到8×105 S/m,代表了石墨烯纤维目前最高的性能水平。

基于高质量纯石墨烯纤维,高超教授团队进一步采用“化学掺杂”方法,将氯化铁、溴、钾等物质引入到石墨烯纤维内部,得到掺杂的石墨烯纤维。由于掺杂分子或离子与石墨烯存在电荷转移相互作用,能显著提高石墨烯纤维的载流子浓度,从而使其导电率有了数量级的提升。例如经过钾掺杂后,石墨烯纤维的导电率高达2.2×107 S/m,高于金属镍(1.5×107 S/m)、接近金属铝(3.5×107 S/m)。值得一提的是,由于石墨烯纤维的密度远低于金属,所以其比导电率(导电率与密度的比值)约是镍的八倍、铜的两倍,并与铝相当。如此高的比导电率使石墨烯纤维在轻质导线、电动马达、信号传输、能源储存与转化、电热器、电磁屏蔽、场发射等领域有巨大的潜在应用价值。

论文共同第一作者为博士后许震和博士生刘英军。这些研究成果由高超团队与浙大信电系徐杨副教授、材料学院金传洪教授、物理系王淼教授、浙江理工大学李培刚教授等合作完成,受国家自然科学基金及中国博士后基金等资助。

 

论文相关信息如下:

1、          Zhen Xu, Yingjun Liu, Xiaoli Zhao, Li Peng, Haiyan Sun, Yang Xu, Xibao Ren, Chuanhong Jin, Peng Xu, Miao Wang, Chao Gao*. Ultrastiff and Strong Graphene Fibers via Full Scale Synergetic Defect Engineering. Advanced Materials, 2016, DOI: 10.1002/adma.201506426.

     http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201506426/full.

2、          Yingjun Liu, Zhen Xu, Jianming Zhan, Peigang Li, Chao Gao*. Superb Electrically Conductive Graphene Fibers via Doping Strategy. Advanced Materials, 2016, DOI: 10.1002/adma.201602444.

     http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201602444/full.



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