成果简介
石墨烯基纤维（GBF）具有潜在的高机械强度、优越的柔韧性和导电性，因此对下一代可穿戴电子设备很有吸引力。然而，就目前报道的大多数纤维电极而言，尚未开发出一种具有高容量和足够韧性的石墨烯纤维，可用于直接机织或针织。本文，北京林业大学王西鸾 副教授团队在《ACS Appl. Polym. Mater》期刊发表名为“Wet-Spinning Assembly of Flexible, Ultratough, and Conductive Alkali Lignin Functionalized Graphene Oxide Composite Fibers for Fiber-Shaped Supercapacitor”的论文，研究不使用任何表面活性剂，通过机械搅拌将碱木素（AL）分散到氧化石墨烯（GO）水溶液中，从而获得稳定的AL/GO水性油墨。AL 可通过氢键和 π-π 堆积等强的非共价相互作用插层到 GO 片材中，而 AL 链的立体阻碍效应可有效阻止 GO 纳米片材的 π-π 堆积。因此，在室温下通过湿法纺丝制备的 AL/GO 水性油墨可以组装出超弹性 GO-AL 纤维（GOF-AL）。
结果表明，AL 可以作为石墨烯片的粘合剂和分散剂，并能促进纤维微观结构的重新排列。值得注意的是，还原型 GO-AL 纤维（rGOF-AL）的拉伸强度和断裂伸长率都有所提高，拉伸强度极限为 310 兆帕，是纯还原型 GO 纤维（rGOF）的 2 倍，断裂伸长率为 16%，是纯还原型 RGOF 的 1.7 倍。以 H2SO4-聚乙烯醇（PVA）凝胶为电解质，进一步将 rGOF-AL 电极制成柔性固态超级电容器。基于 rGOF-AL 的纤维状超级电容器（rGOF-AL FSC）显示出很高的电容性能（0.5 mA cm-2 时为 46.5 mF cm-2，1000 次循环后电容保持率为 94.0%）。目前的 rGOF-AL 具有优异的拉伸和导电性能，可回收利用且环保，为木质素的高价值利用带来了广阔前景。
图文导读
图1.湿法纺丝GOF-AL的示意图以及还原的GO片和AL链之间的非共价相互作用。
图2、GOFs-AL的微观结构表征
图3、GOF-AL 20 和 GOF 的表征
图4、rGOFs-AL的机械性能
图5.石墨烯基复合材料的应变和拉伸强度比较。
图6。rGOF AL 20 FSC和rGOF FSC在PVA/H2SO4电解质中的电化学表征。
小结
本研究中，作者通过AL功能化GO的湿法纺丝组装成功制备了具有优异机械强度和导电性的rGOF AL 20。AL可以通过非共价连接与GO相互作用，例如在芳香结构中形成的π–π相互作用以及AL与GO的氧基团之间的氢键。将AL插入GO片中，并作为分散剂通过各种相互作用的协同作用防止GO的过度聚集。它还可以作为粘合剂促进石墨烯片在纤维中的有序排列，同时赋予rGOF-AL超强的断裂强度和伸长率。rGOF AL 20显示出高达16%以上的高断裂伸长率和310MPa的断裂强度。rGOF AL 20 FSC在0.5 mA cm–2的电流密度下表现出46.5 mF cm–2，是rGOF FSC的约2倍的显著比电容。所制备的rGOF AL 20具有优异的伸长率、导电性、断裂强度、良好的可回收性、经济性和环保性。这些结果为下一代可穿戴设备的柔性和可拉伸智能纤维的设计和制造提供了有用的见解；这种有用的应用还可以扩展碱木质素的高价值利用。
文献：https://doi.org/10.1021/acsapm.4c00617
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