[发明专利]一种有序多孔高导电石墨烯纤维及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种有序多孔高导电石墨烯纤维的制备方法与应用，其特征在于石墨烯纤维的电导率范围为11000～16000S/m；纤维直径为50～400微米。由以下步骤制得：首先，由Hummers改进法制得高浓度氧化石墨烯分散液，然后氧化石墨烯分散液与刻蚀剂在磁热微流控装置内快速加热发生刻蚀反应，制备多孔氧化石墨烯分散液，最后通过湿法纺丝制备有序多孔氧化石墨烯纤维，烘干后在连续的气体保护下煅烧，得到有序多孔石墨烯纤维。本发明制备的多孔石墨烯纤维电导率高，比表面积大，机械性能较强，高效安全，成本低廉，适用于大规模工业化生产，得到的纤维状电容器机械强度高、循环稳定性好且拥有大的比电容，能够应用到能量存储及智能柔性穿戴设备等众多领域。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纤维，属于导电纤维和柔性微储能领域，具体涉及一种一种有序多孔高导电石墨烯纤维及制备方法与应用。

背景技术

超级电容器根据电荷存储机制和能量密度公式不同，可分为双电层电容器和赝电容器，前者通过电吸附离子在多孔碳材料等电极表面存储电荷，而后者主要通过金属氧化物或导电聚合物等电极与电解质界面发生快速氧化还原反应。相对于传统的化学电源，超级电容器具备了充电耗时短、功率密度高以及循环寿命长等优点。其中一维纤维状超级电容器具有高度的灵活性、体积小、高功率密度、长期稳定性和高倍率性能等特点，因此在新兴的柔性可穿戴电子设备等高新技术上有着广阔的应用前景。

石墨烯纤维作为一种新型碳质纤维，以低廉的天然石墨粉作为最初原料，石墨烯纳米片通过湿法纺丝沿一维方向宏观自组装而成。相对于以往的碳质纤维，石墨烯纤维具有高导电性、极大的比表面积、高导热性和良好的机械性能。此外，纤维材料内部三维有序、致密均一且能够复合多种维度的客体分子等优点，使得石墨烯纤维逐渐成为双电层一维超级电容器的最理想电极材料之一。

鉴于微型电子，可穿戴产业和电动汽车的快速增长，迫切需要开发新的微型能量存储技术，尤其是那些微型电化学超级电容器。但是，低的电荷传输和存储限制了超级电容器电化学性能。因此，大规模制备高能量密度一维超级电容器仍然是当前的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有序多孔高导电石墨烯纤维，本发明的另一目的是提供上述有序多孔高导电石墨烯纤维的制备方法及应用。一方面，本发明的目的在于提供一种基于磁热微流控辅助的湿法纺丝，该制备方法提供了快速的磁热加热和有限的微通道反应，因此石墨烯纳米片可以在整个纤维中通过相互连接的多孔网络快速蚀刻，再通过湿法纺丝工艺，多孔氧化石墨烯经过剪切流动、凝固成型、牵引取向等一些工序后得到结构有序的多孔氧化石墨烯纤维。另一方面，本发明目的还在于提供上述有序多孔高导电氧化石墨烯纤维超级电容器的应用。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种有序多孔高导电石墨烯纤维，其特征在于纤维电导率范围为10000～16000S/m；纤维直径控制在50～400微米范围内；纤维表面及内部具有均匀的多孔网络结构，其孔径分布范围为2～190nm，比表面积范围为150～350m²/g。

本发明还提供了一种制备上述的有序多孔高导电石墨烯纤维的方法，其具体步骤如下：

1)以纯石墨粉为原料，由改进Hummers法制备氧化石墨烯悬浮液，经过洗涤、高速离心后得到10～25mg/mL的氧化石墨烯溶液；

2)取适量步骤1)中的氧化石墨烯溶液与刻蚀剂溶液通过超声混合，利用微流泵将上述混合溶液通入磁热微流控装置，加热刻蚀得到10～25mg/mL多孔氧化石墨烯溶液；

3)利用湿法纺丝的技术手段，将步骤2)中的多孔氧化石墨烯溶液注入湿纺凝固浴形成结构有序的多孔氧化石墨烯纤维，滚轴旋转收集，在50～100℃下干燥得到多孔氧化石墨烯纤维；

4)将干燥的多孔氧化石墨烯纤维置于管式炉中，在气体保护中煅烧至800～1300℃并保持恒温，得到有序多孔高导电石墨烯纤维。