碳纖維（CF）因其優(yōu)異的比強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在飛機(jī)、航天器、車(chē)輛、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和能源電池等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這些性能源于其純碳成分，由有序的石墨烯基sp²結(jié)構(gòu)組成。然而，傳統(tǒng)的碳纖維制備方法依賴(lài)于有機(jī)碳化路徑，即將線(xiàn)性聚合物或小分子有機(jī)物在高溫下（通常超過(guò)1300°C）融合成石墨烯單元，此過(guò)程能耗巨大，約為 鋼鐵生產(chǎn)的17倍，且占總成本的約40%。因此，低溫生產(chǎn)碳纖維并降低能耗是一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。
考慮到所有出色的性能均源于石墨烯基sp²碳單元，研究者們思考是否可以直接從石墨烯的結(jié)構(gòu)單元出發(fā)制造碳纖維，從而繞過(guò)傳統(tǒng)的有機(jī)碳化路徑。本研究報(bào)告了一種在常溫下通過(guò)域折疊策略制備的高性能石墨烯基碳纖維（GF），該方法顯著降低了能耗，并展示了優(yōu)異的機(jī)械性能。
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圖1 | 通往碳纖維（CFs）的兩條路徑對(duì)比。a，在室溫下制備石墨烯纖維（GF）的節(jié)能路徑示意圖，該路徑步驟簡(jiǎn)單，涉及天然石墨的化學(xué)剝離、域液晶濕法紡絲以及催化化學(xué)還原。b，在1300°C高溫下制備傳統(tǒng)碳纖維的示意圖，該路徑步驟耗能高，涉及熱氧化和熱碳化。c，室溫下氧化石墨烯（GO）的還原示意圖（c）。d，有機(jī)聚丙烯腈（PAN）的高溫碳化示意圖。e，不同試劑對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行化學(xué)還原以及聚丙烯腈碳化時(shí)，活化能（Ea）與處理溫度的關(guān)系圖。
解析
圖1概述：
圖1通過(guò)示意圖和關(guān)系圖，對(duì)比了制備碳纖維（CFs）的兩種不同路徑：一種是室溫下制備石墨烯纖維（GF）的節(jié)能路徑；另一種是高溫下制備傳統(tǒng)碳纖維的高耗能路徑。
a部分：
內(nèi)容：展示了室溫下制備石墨烯纖維的節(jié)能路徑。
步驟：
1、化學(xué)剝離天然石墨：將天然石墨通過(guò)化學(xué)方法剝離成氧化石墨烯（GO）。
2、域液晶濕法紡絲：利用域液晶技術(shù)將GO溶液紡成纖維。
3、催化化學(xué)還原：在催化劑作用下，將GO還原成石墨烯纖維。
特點(diǎn)：步驟簡(jiǎn)單，能耗低。
b部分：
內(nèi)容：展示了在1300°C高溫下制備傳統(tǒng)碳纖維的高耗能路徑。
步驟：
熱氧化：在高溫下對(duì)有機(jī)前驅(qū)體進(jìn)行氧化處理。
熱碳化：進(jìn)一步在高溫下將氧化后的前驅(qū)體碳化成碳纖維。
特點(diǎn)：步驟復(fù)雜，能耗高。
c部分：
內(nèi)容：室溫下氧化石墨烯（GO）的還原示意圖。
過(guò)程：展示了GO在室溫下通過(guò)化學(xué)還原劑（如氫碘酸和三氟乙酸）還原成石墨烯的過(guò)程。
特點(diǎn)：無(wú)需高溫，節(jié)能高效。
d部分：
內(nèi)容：有機(jī)聚丙烯腈（PAN）的高溫碳化示意圖。
過(guò)程：展示了PAN在高溫下經(jīng)過(guò)熱解和碳化過(guò)程，最終形成碳纖維。
特點(diǎn)：需要高溫處理，能耗大。
e部分：
內(nèi)容：活化能（Ea）與處理溫度的關(guān)系圖。
數(shù)據(jù)：展示了不同化學(xué)還原劑對(duì)GO進(jìn)行還原以及PAN碳化時(shí)，活化能隨處理溫度的變化情況。
分析：
GO的化學(xué)還原活化能較低，尤其是在使用氫碘酸作為還原劑時(shí)，活化能顯著低于PAN的高溫碳化過(guò)程。
PAN碳化需要較高的處理溫度和活化能，表明其能耗遠(yuǎn)高于GO的化學(xué)還原過(guò)程。
意義：通過(guò)對(duì)比活化能和處理溫度，突出了室溫下制備石墨烯纖維的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。
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圖2 | df-GF的制備。a，區(qū)域液晶（domain LC）濕法紡絲方法示意圖，通過(guò)連續(xù)的區(qū)域折疊、凝固、固化和溶劑化拉伸步驟，制備出由數(shù)百根相互融合的原纖維組成的具有層次結(jié)構(gòu)的石墨烯氧化物纖維（GOF）。
b–e，ff-GOF（b和c）和df-GOF（d和e）的氣凝膠纖維和凝固固體纖維橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，展示了高度折疊（c）和高度伸展片層（e）的兩種模型。比例尺，200 µm（b和d）；2 µm（c和e）。
f,g，df-GF的微孔隙的聚焦離子束-掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）斷層掃描得出的三維重建圖像（f）和微孔隙體積分布（g）。插圖顯示了df-GF內(nèi)中值大小的微孔隙（g）。
h,i，ff-GF的微孔隙的FIB-SEM斷層掃描得出的三維重建圖像（h）和微孔隙體積分布（i）。插圖顯示了ff-GF內(nèi)中值大小的微孔隙（i）。
j，ff-GF和df-GF的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。插圖中的照片顯示了化學(xué)還原后收集的df-GF。比例尺，2 cm。
解析
圖2概述：
圖2詳細(xì)展示了df-GF（區(qū)域折疊石墨烯纖維）的制備過(guò)程及其與ff-GF（自由折疊石墨烯纖維）在結(jié)構(gòu)和性能上的對(duì)比。
具體解析：
a部分：展示了區(qū)域液晶濕法紡絲的示意圖，描述了從高度折疊的石墨烯形成具有層次結(jié)構(gòu)的石墨烯氧化物纖維（GOF）的連續(xù)步驟，包括區(qū)域折疊、凝固、固化和溶劑化拉伸。
b-e部分：通過(guò)結(jié)構(gòu)示意圖和SEM圖像，對(duì)比了ff-GOF和df-GOF在氣凝膠纖維和凝固固體纖維橫截面上的差異。ff-GOF展示了高度伸展的片層結(jié)構(gòu)，而df-GOF則展示了高度折疊的結(jié)構(gòu)。
f-i部分：利用FIB-SEM斷層掃描技術(shù)，重建了df-GF和ff-GF中微孔隙的三維圖像，并展示了它們的體積分布。df-GF中的微孔隙體積明顯小于ff-GF，表明df-GF的結(jié)構(gòu)更加致密。
f和g：展示了df-GF的微孔隙三維重建圖像和體積分布，插圖顯示了中值大小的微孔隙。
h和i：展示了ff-GF的微孔隙三維重建圖像和體積分布，插圖同樣顯示了中值大小的微孔隙。通過(guò)對(duì)比可以明顯看出df-GF中微孔隙的減少。
j部分：給出了ff-GF和df-GF的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，顯示了df-GF在拉伸強(qiáng)度上的顯著提升。插圖中的照片展示了化學(xué)還原后收集的df-GF樣品。
整體意義：
圖2通過(guò)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像對(duì)比，證明了區(qū)域折疊策略在減少石墨烯纖維中微孔隙、提高纖維密度和拉伸強(qiáng)度方面的有效性。這一發(fā)現(xiàn)為制備高性能石墨烯纖維提供了新的思路和方法。
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圖3 | 石墨烯纖維（GF）結(jié)構(gòu)表征及其與強(qiáng)度的關(guān)系。
a, 組裝石墨烯折疊面積與石墨烯纖維領(lǐng)域尺寸的關(guān)系。a中的數(shù)據(jù)為獨(dú)立技術(shù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n>93）。b, 不同折疊面積制備的石墨烯纖維的拉伸強(qiáng)度。b中的數(shù)據(jù)為獨(dú)立技術(shù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=20）。c,d, 組裝石墨烯的密度和孔隙率與折疊面積的關(guān)系（c）以及微孔尺寸與折疊面積的關(guān)系（d）。e, 石墨烯纖維的平均拉伸強(qiáng)度與微孔體積和組裝石墨烯折疊面積的關(guān)系。請(qǐng)注意，小角X射線(xiàn)散射（SAXS）可以收集到聚焦離子束-掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）斷層掃描無(wú)法觀察到的超小微孔，從而統(tǒng)計(jì)得到更小的平均微孔尺寸。f, 從5×10μm²的映射（右）中收集到的在0.5%應(yīng)變下域折疊石墨烯纖維（df-GF）和自由折疊石墨烯纖維（ff-GF）的拉曼位移分布（左）。比例尺，2μm。g–j, df-GF（g和h）和ff-GF（i和j）斷裂表面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。比例尺，1μm（g和i）；500nm（h和j）。不同的斷裂行為在虛線(xiàn)框中展示。上述df-GF采用最精細(xì)的領(lǐng)域尺寸（144μm²）制備。
解析
這段文字詳細(xì)描述了圖3中的各個(gè)子圖及其所展示的內(nèi)容，主要圍繞石墨烯纖維（GF）的結(jié)構(gòu)表征及其與強(qiáng)度的關(guān)系展開(kāi)。以下是對(duì)各部分的解析：
a圖：展示了組裝石墨烯的折疊面積如何依賴(lài)于石墨烯纖維的領(lǐng)域尺寸。數(shù)據(jù)通過(guò)大量獨(dú)立技術(shù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得，并給出了平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，表明了實(shí)驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性。
b圖：探討了不同折疊面積對(duì)石墨烯纖維拉伸強(qiáng)度的影響。同樣，數(shù)據(jù)來(lái)源于多個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，并給出了統(tǒng)計(jì)上的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，揭示了折疊面積與拉伸強(qiáng)度之間的定量關(guān)系。
c圖和d圖：分別展示了組裝石墨烯的密度和孔隙率（c圖）以及微孔尺寸（d圖）如何隨折疊面積的變化而變化。這些圖表提供了關(guān)于石墨烯纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入信息，有助于理解其物理性能。
e圖：進(jìn)一步分析了石墨烯纖維的平均拉伸強(qiáng)度與微孔體積和組裝石墨烯折疊面積之間的關(guān)系。通過(guò)SAXS技術(shù)，研究者能夠觀察到更小的微孔，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估微孔對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響。
f圖：利用拉曼位移分布來(lái)表征在特定應(yīng)變下（0.5%）df-GF和ff-GF的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)。拉曼映射技術(shù)提供了纖維內(nèi)部應(yīng)力分布的直觀圖像，有助于理解應(yīng)力如何影響纖維的斷裂行為。
g-j圖：通過(guò)SEM圖像展示了df-GF和ff-GF斷裂表面的微觀結(jié)構(gòu)。這些圖像揭示了兩種纖維在斷裂行為上的顯著差異，df-GF表現(xiàn)出更為均勻的斷裂面，而ff-GF則呈現(xiàn)出更為劇烈的斷裂特征。這些差異反映了折疊面積和微孔結(jié)構(gòu)對(duì)纖維斷裂行為的重要影響。
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圖4 | 石墨烯纖維（GF）的結(jié)構(gòu)演變與性能關(guān)系。a-c，單層氧化石墨烯（GO）片（a）、單層還原GO片（b）和原始聚丙烯腈（PAN）（c）的原子結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡（TEM）圖像。比例尺，2納米。插圖展示了相應(yīng)的選區(qū)電子衍射（SAED）圖譜。比例尺，3納米-1。d，通過(guò)X射線(xiàn)光電子能譜追蹤的兩種路徑下纖維的sp2雜化碳比例。e，f，從氧化石墨烯纖維（GOF）到石墨烯纖維（GF）的結(jié)構(gòu)演變，通過(guò)TEM（e）和X射線(xiàn)衍射（XRD）（f）進(jìn)行追蹤。比例尺，5納米（e）。插圖展示了相應(yīng)的SAED圖譜。比例尺，3納米-1。g，結(jié)構(gòu)演變與熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的關(guān)系。數(shù)據(jù)表示為獨(dú)立技術(shù)重復(fù)的平均值±一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=3）。h，強(qiáng)度×模量與加工溫度的Ashby圖表，說(shuō)明了一個(gè)普遍規(guī)律，即通過(guò)增加輸入能量可以實(shí)現(xiàn)纖維材料更高的機(jī)械性能。我們的纖維打破了這一關(guān)鍵規(guī)律，在室溫下實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高模量。
解析
圖4概述：
圖4主要展示了石墨烯纖維（GF）從原材料到最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)演變過(guò)程，以及這一過(guò)程中性能的變化，特別是機(jī)械性能、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的變化。
具體解析：
a-c部分：
展示了單層氧化石墨烯（GO）片、單層還原GO片和原始聚丙烯腈（PAN）的原子結(jié)構(gòu)TEM圖像。
通過(guò)這些圖像，可以直觀地看到不同材料在原子尺度上的結(jié)構(gòu)差異。
插圖中的SAED圖譜提供了關(guān)于材料結(jié)晶性的額外信息。
d部分：
展示了通過(guò)X射線(xiàn)光電子能譜追蹤的兩種路徑下纖維中sp2雜化碳的比例。
sp2雜化碳的比例是衡量石墨烯纖維質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)樗苯佑绊懙嚼w維的導(dǎo)電性和機(jī)械性能。
e-f部分：
展示了從氧化石墨烯纖維（GOF）到石墨烯纖維（GF）的結(jié)構(gòu)演變過(guò)程，通過(guò)TEM和XRD進(jìn)行追蹤。
TEM圖像提供了結(jié)構(gòu)變化的直觀證據(jù)，而XRD圖譜則提供了關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)和層間距的定量信息。
g部分：
探討了結(jié)構(gòu)演變對(duì)熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的影響。
數(shù)據(jù)表明，隨著結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和sp2雜化碳比例的增加，熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率也相應(yīng)提高。
h部分：
展示了強(qiáng)度×模量與加工溫度的Ashby圖表。
圖表說(shuō)明了一個(gè)普遍規(guī)律：通常，通過(guò)增加加工溫度（即輸入能量）可以實(shí)現(xiàn)纖維材料更高的機(jī)械性能。
然而，本研究中的石墨烯纖維打破了這一規(guī)律，在室溫下就實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高模量，這顯示了該研究在材料科學(xué)領(lǐng)域的突破性。
本研究成功在常溫下通過(guò)化學(xué)剝離石墨制備 氧化石墨烯（GO），結(jié)合域液晶濕法紡絲和催化化學(xué)還原，制備了高性能石墨烯基碳纖維。該過(guò)程避免了傳統(tǒng)方法中的高溫處理，顯著降低了能耗（約降低97%）。制備的石墨烯纖維（df-GF）展現(xiàn)出超高強(qiáng)度（平均5.19 GPa）和高楊氏模量（529 GPa），遠(yuǎn)超以往報(bào)道的常溫制備的石墨烯纖維，甚至接近或超過(guò)某些高溫處理的碳纖維。通過(guò)域折疊策略，纖維內(nèi)部形成了 高度折疊且緊密堆積的納米結(jié)構(gòu)，顯著減少了組裝過(guò)程中產(chǎn)生的微孔缺陷（體積減少十倍以上），從而提高了應(yīng)力分布的均勻性，增強(qiáng)了機(jī)械性能。df-GF不僅機(jī)械性能優(yōu)異，還展現(xiàn)出高導(dǎo)熱性（232 W m?¹ K?¹），遠(yuǎn)超高強(qiáng)度聚丙烯腈（PAN）基碳纖維。
本研究為碳纖維及其他宏觀二維納米片組裝材料的制備提供了新的能效更高的路徑，有望大幅降低生產(chǎn)成本。通過(guò)精確控制域折疊納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了材料性能的顯著提升，為高性能纖維的開(kāi)發(fā)提供了新思路。鑒于df-GF的優(yōu)異性能，其在航空航天、車(chē)輛制造、能源存儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究展示了常溫下制備高性能碳纖維的可行性，未來(lái)工作將進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝，探索更多種類(lèi)的二維納米片組裝材料，以期實(shí)現(xiàn)更高性能和更廣泛的應(yīng)用。https://doi.org/10.1038/s41563-025-02384-7
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》
