[发明专利]石墨烯气凝胶中空纤维、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯气凝胶中空纤维、其制备方法及应用。所述石墨烯气凝胶中空纤维具有环形、闭合的石墨烯气凝胶壁及贯穿纤维轴向的管道空腔，所述石墨烯气凝胶壁具有由石墨烯片层经三维搭接形成的、连续的三维多孔网络，所述管道空腔由石墨烯气凝胶壁围合而成。所述制备方法包括：利用同轴针头辅助的溶胶凝胶技术，制备得到石墨烯水凝胶中空纤维，之后对其进行超临界流体干燥和/或冷冻干燥处理，获得石墨烯气凝胶中空纤维。本发明的石墨烯气凝胶中空纤维具有优异的力学柔性、水传输性能及光热转换性能，在光热转换、流体输运、海水淡化等领域有着重要的应用，且制备工艺简洁，反应条件温和，可实现连续化生产。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯气凝胶中空纤维、其制备方法及其应用，属于纳米能源技术领域。

背景技术

石墨烯是以sp²杂化连接的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构，其厚度仅为一个碳原子层的厚度(0.34nm)，是目前发现的最薄的材料。石墨烯可以想象为由碳原子和其共价键所形成的原子网格。石墨烯的制备方法由最初的撕胶带法/轻微摩擦法逐渐扩展到其他各种方法，如外延生长、CVD生长、氧化还原法等。石墨烯的结构非常稳定，碳碳键仅为石墨烯内部的碳原子之间的连接具有一定的柔韧性，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。石墨烯的特殊几何及电子结构还赋予它诸多优异的特性，例如其电子迁移率为2×10⁵cm²/(V·s),电导率高达10⁶S/m，良好的导热性(5000W/(m·K))，超高的比表面积(2630m²/g)等。根据石墨烯超薄、强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如在超轻防弹衣、超轻型飞机材料领域都有极大的应用前景。基于石墨烯优异的导电性，使它在微电子领域有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。另外，石墨烯材料还是一种优异的电极材料，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池等方面有着极大的应用市场。

气凝胶是一种分散介质为气体的、具有连续三维多孔网络结构的低密度固体材料。自1932年，美国化学家Samuel Stephens Kistler首次利用超临界流体干燥技术制备得到“固体的烟”——氧化硅气凝胶以来，气凝胶作为材料家族的新成员受到人们的关注及研究。石墨烯气凝胶作为一种新型材料，可在宏观状态下展现出石墨烯自身独有的理化性质，在能源、传感、催化、环境等领域有着重要的应用潜力，受到人们的广泛关注。随着石墨烯气凝胶的不断发展，一系列具有不同维度、不同组分、不同微观结构的石墨烯气凝胶材料被相继报道，极大的丰富了石墨烯气凝胶材料家族。

中空纤维，具有贯穿纤维轴向管道空腔及闭合环状的壳层结构，在流体输运、流动化学、水处理、微纳驱动器等领域有着广泛的应用。然而，目前大多数中空纤维的材质多以高分子为主，极大的限制了中空纤维在智能响应、智能流体传输、电化学能源存储等领域的应用。此外，材质的受限，影响中空纤维的多功能应用，极大的限制了中空纤维的应用扩展。

鉴于多功能石墨烯气凝胶材料的快速发展及中空纤维的受限，迫切需要并提出一种结构与性能新颖的气凝胶中空纤维材料、制备方法及新型应用，来达到工艺简单、周期短、成本低的目的，充分发挥气凝胶材料及中空纤维结构的优势，将气凝胶的应用推向一个新高度，进而满足社会发展对多功能一体化新材料的需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种石墨烯气凝胶中空纤维及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的另一目的还在于提供所述石墨烯气凝胶中空纤维的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种石墨烯气凝胶中空纤维，所述石墨烯气凝胶中空纤维具有环形、闭合的石墨烯气凝胶壁及贯穿纤维轴向的管道空腔，所述石墨烯气凝胶壁具有由石墨烯片层经三维搭接形成的、连续的三维多孔网络，所述管道空腔由石墨烯气凝胶壁围合而成。