[发明专利]提高石墨烯薄片剪切取向的褶皱石墨烯纤维的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种提高石墨烯薄片剪切取向的褶皱石墨烯纤维的制备方法与应用，制备方法，包括如下步骤：采用注射泵将配制的非液晶氧化石墨烯溶液注射到凝固浴中进行纺丝，注射针头位于凝固浴的上方，且与凝固浴之间留有设定间隙。将注射喷头置于凝固浴的上方，向凝固浴中喷射非液晶氧化石墨烯溶液进行纺丝，可以实现石墨烯纤维的拉伸，得到较好的剪切取向，并且间隙拉伸使得发生挤出溶胀的初始纤维在凝固浴中收缩而出现大量的褶皱结构，使制备得到的石墨烯纤维表面具有丰富的褶皱结构，可提供较大的可利用比表面积，有利于电荷的储存和传输，因此有利于纤维电容的提高。

技术领域

本发明属于石墨烯纤维的制备技术领域，具体涉及一种提高石墨烯薄片剪切取向的褶皱石墨烯纤维及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着便携式电子设备的发展，人们开始关注制造具有良好的耐磨性和体积小的柔性、电容高的储能设备，其中，纤维状的超级电容器作为一维材料，由于其独特的线状结构，可以被编织成各种形状的纺织品，可以适用于各种位置，且由于具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优势被认为是一种很有前途的储能系统(T.Xu et al.,Carbon 152(2019)134-143)。比如，Thomas等人以铜丝为基底制备了二氧化锰@氧化铜@金铂纤维状超级电容器，在氢氧化钾为电解液的三电极下，电容为1376F g^-1(Adv.Mater.,2014,26,4279–4285)。相比金属材料的纤维电容器，碳材料制备纤维超级电容器具有质量轻、比表面大的特点，Wang等人制备了碳纳米管纤维，并在上面覆盖上一层聚苯胺以提高其电容，在固态电解质中电容为38mFcm^-2(Adv.Mater.,2013,25,1494–1498)。Xiao等人采用碳纤维作为电极，并生长上二氧化锰来增加电容，在固态电解质中测试电容为2.5Fcm^-2(ACS Nano,2012,6,9200–9206.)。

尽管采用金属材料和碳纳米管制备超级电容器取得了成功，但是由于金属材料的重量和碳纳米管的高价格限制了它们在柔性和可穿戴电极的大规模应用(Adv.Mater.2020,32,1901979)。石墨烯作为一种二维材料，具有质量轻、比表面大和导电性好的特点，是纤维超级电容器的理想材料。湿法纺丝是制备石墨烯纤维的优选方法，Gao等人第一次采用湿法纺丝的方法制备得到石墨烯液晶纤维，具有机械强度高，柔韧好的特性，拉伸强度为140MPa(Nature Communications,2011,2,571-571.)。通过将氧化石墨烯溶液调节为碱性得到非液晶氧化石墨烯溶液，非液晶结构可以促进氧化石墨烯薄片的剪切取向，在合适的拉伸比的条件下通过湿法纺丝得到了非液晶石墨烯纤维。氧化石墨烯薄片的剪切取向决定石墨烯纤维的力学性能。目前现有技术中多通过调节凝固浴旋转速度和注射速率来拉伸石墨烯纤维，虽然内部薄片得到较好的剪切取向，但是未曾考虑纺丝液与凝固浴之间的距离对纤维性能的影响。纺丝液在进入凝固浴前会发生挤出溶胀和间隙拉伸，这会影响纤维在凝固的过程中表面褶皱的形成及石墨烯片层的剪切取向，进而影响其在电容器中的应用性能。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明的目的是提供一种提高石墨烯薄片剪切取向的褶皱石墨烯纤维的制备方法与应用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种提高石墨烯薄片剪切取向的褶皱石墨烯纤维的制备方法，包括如下步骤：

采用注射泵将配制的非液晶氧化石墨烯溶液注射到凝固浴中进行纺丝，注射针头位于凝固浴的上方，且与凝固浴之间留有设定距离。

第二方面，本发明提供上述制备方法制备得到的石墨烯纤维。

第三方面，本发明提供所述石墨烯纤维在制备超级电容器、柔性电极或可穿戴电子设备中的应用。