近日，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系高超教授研究團(tuán)隊(duì)在石墨烯纖維的規(guī)模化制備以及石墨烯纖維的高性能化等方面取得了新突破，相關(guān)研究論文“Ultrastiff and Strong Graphene Fibers via Full Scale Synergetic Defect Engineering”和“Superb Electrically Conductive Graphene Fibers via Doping Strategy”先后被國際著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials （IF=18.96） 接連發(fā)表。

    石墨烯纖維是石墨烯片沿軸向有序堆積排列而成的連續(xù)組裝材料，是由高超教授團(tuán)隊(duì)首次提出并率先制備的高性能多功能新型碳基纖維，具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、低密度等特性。石墨烯纖維已在柔性導(dǎo)線、超級電容器、太陽能電池、鋰電池、傳感器等方面顯示出了誘人的應(yīng)用前景，已成為一個(gè)新的學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)方向。然而目前石墨烯纖維較弱的力學(xué)強(qiáng)度和較低的導(dǎo)電性能限制了其在功能性器件、可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展。因此如何提高石墨烯纖維的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能、如何使石墨烯的本征優(yōu)異特性在石墨烯纖維上最大程度的得以體現(xiàn)，已經(jīng)成為石墨烯纖維研究中的關(guān)鍵問題。

    針對這一問題，高超教授團(tuán)隊(duì)立足石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)調(diào)控及結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，開展了系統(tǒng)深入的研究。首次提出了“全尺度協(xié)同缺陷工程”策略，通過優(yōu)化濕法紡絲工藝、多級拉伸誘導(dǎo)取向、纖維細(xì)旦化、高溫?zé)徇€原等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，成功地實(shí)現(xiàn)了高性能石墨烯纖維的規(guī)模化制備。所得到的石墨烯纖維直徑最細(xì)可達(dá)1.6 μm（約為頭發(fā)絲的五十至百分之一），力學(xué)強(qiáng)度最高可達(dá)2.2 GPa，楊氏模量最高可達(dá)400 GPa，導(dǎo)電率達(dá)到8×105 S/m，代表了石墨烯纖維目前最高的性能水平。

    基于高質(zhì)量純石墨烯纖維，高超教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用“化學(xué)摻雜”方法，將氯化鐵、溴、鉀等物質(zhì)引入到石墨烯纖維內(nèi)部，得到摻雜的石墨烯纖維。由于摻雜分子或離子與石墨烯存在電荷轉(zhuǎn)移相互作用，能顯著提高石墨烯纖維的載流子濃度，從而使其導(dǎo)電率有了數(shù)量級的提升。例如經(jīng)過鉀摻雜后，石墨烯纖維的導(dǎo)電率高達(dá)2.2×107 S/m，高于金屬鎳（1.5×107 S/m）、接近金屬鋁（3.5×107 S/m）。值得一提的是，由于石墨烯纖維的密度遠(yuǎn)低于金屬，所以其比導(dǎo)電率（導(dǎo)電率與密度的比值）約是鎳的八倍、銅的兩倍，并與鋁相當(dāng)。如此高的比導(dǎo)電率使石墨烯纖維在輕質(zhì)導(dǎo)線、電動(dòng)馬達(dá)、信號傳輸、能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化、電熱器、電磁屏蔽、場發(fā)射等領(lǐng)域有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

    論文共同第一作者為博士后許震和博士生劉英軍。這些研究成果由高超團(tuán)隊(duì)與浙大信電系徐楊副教授、材料學(xué)院金傳洪教授、物理系王淼教授、浙江理工大學(xué)李培剛教授等合作完成，受國家自然科學(xué)基金及中國博士后基金等資助。