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  當(dāng)前，石墨烯纖維材料作為制備柔性電子器件的一種優(yōu)選材料得到廣大科研人員的關(guān)注，在柔性儲(chǔ)能器件和智能傳感器件等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。但由于石墨烯片層嚴(yán)重堆疊及其自身天然的疏水性帶來(lái)比表面積小、與電解液親和性不佳等缺點(diǎn)，極大地限制了石墨烯優(yōu)異的理論電化學(xué)性能在宏觀材料中的發(fā)揮。

  為此，東華大學(xué)朱美芳教授團(tuán)隊(duì)在前期的研究工作中開(kāi)發(fā)了一種石墨烯溶液的非液晶紡絲方法，通過(guò)堿液調(diào)節(jié)溶液中石墨烯片層表面的帶電性，使片層間產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電排斥力，形成無(wú)序排列，規(guī)模化連續(xù)制備得到具有高電化學(xué)性能的多孔純石墨烯纖維（Nano Energy, 2015, 15, 642），并取得了一系列的研究進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)這種方法得到具有高強(qiáng)度、高親水性及高電化學(xué)性能的聚乙烯醇/石墨烯雜化纖維（Journal of Power Sources, 2016, 319, 271）。他們進(jìn)一步通過(guò)多組分雜化組裝將帶有贗電容特性的無(wú)機(jī)納米粒子（例如MnO2、MoO3等）作為納米活性組分，制備得到具有高電化學(xué)性能的雜化石墨烯纖維（Journal of Power Sources, 2016,306, 481; Carbon, 2017, 113, 151）。

  近期，該團(tuán)隊(duì)在前期的工作基礎(chǔ)上，利用纖維素納米晶具有一維棒狀剛性結(jié)構(gòu)、表面富含親水性基團(tuán)的特點(diǎn)，將其作為納米增強(qiáng)單元，通過(guò)上述紡絲方法，結(jié)合化學(xué)還原獲得了多組分異質(zhì)組裝的rGO/CNC雜化纖維。研究發(fā)現(xiàn)，該策略獲得的石墨烯雜化纖維具有多方面優(yōu)勢(shì)：第一，CNC的納米棒狀形態(tài)不僅能夠與石墨烯片層形成插層結(jié)構(gòu)，改善石墨烯纖維中石墨烯片層堆積嚴(yán)重的現(xiàn)象，而且還能抑制石墨烯片層在纖維成形過(guò)程中可能存在的彎曲和折疊，使其在纖維軸向上排列，從而形成有序的納米孔道結(jié)構(gòu)（如圖1a所示），為電解質(zhì)傳輸提供暢通無(wú)阻的納米通道；第二，由于自身的剛性結(jié)構(gòu)，CNC不會(huì)在石墨烯片層表面形成如同高分子鏈包覆的狀態(tài)，在增強(qiáng)其性能的同時(shí)，維持石墨烯片層在纖維軸向的有效連接，保證雜化石墨烯纖維的高導(dǎo)電性（如圖1b所示）；第三，CNC表面豐富的親水性基團(tuán)不僅能與石墨烯片層表面殘留的含氧官能團(tuán)（羥基、羧基、碳基等）形成強(qiáng)作用的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，有效增強(qiáng)其力學(xué)性（如圖1c所示），而且其親水性納米單元能賦予石墨烯高親水性（如圖1d所示），有效提高纖維與電解質(zhì)溶液的親和性。

圖1. 雜化石墨烯纖維的截面電鏡圖（a）、電導(dǎo)性（b）、力學(xué)性能（c）及其親水性能（d）

  隨后，他們將得到的雜化石墨烯纖維組裝成超級(jí)電容器，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，同時(shí)具備優(yōu)異的串并聯(lián)性及柔性（如圖2a-b所示），在同類超級(jí)電容器中具有相對(duì)較高的能量密度和功率密度（如圖2c所示）。

圖2. 雜化石墨烯纖維制備得到超級(jí)電容器的串并聯(lián)性（a）、彎曲測(cè)試（b）及其Ragone圖（c）

  因此，以上研究表明，該雜化石墨烯纖維作為柔性電極材料在可穿戴電子器件，特別是柔性超級(jí)電容器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。這一成果近期發(fā)表在Carbon 上。

  論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622317311156