将石墨烯片组装成宏观纤维，石墨层沿纤维轴单轴排列，具有基础和技术重要性。然而，石墨烯基纤维的最佳性能远远低于基于单个石墨烯性能的预期。在这里，研究表明，如果通过共价共轭芳香酰胺键在石墨烯边缘之间形成桥，则可以显着改善石墨烯基纤维的机械性能和导电性。电导率的提高可能是由于芳香酰胺桥接石墨烯片上电子共轭的延长。较大的片材还可以改善 π-π 堆叠，与坚固的芳香酰胺键一起提供高机械强度。在本次的实验中，在芳香胺连接体存在下，使用已建立的湿纺技术桥接石墨烯边缘，该连接体选择性地与石墨烯边缘位点的羧基反应。该技术已经工业化，并且可以轻松升级。因此，本研究的方法为在最佳技术经济和生态条件下制造高性能宏观石墨烯纤维铺平了道路。
图1. 原理图显示了装配过程的原理。平面内芳香酰胺键是由氧化石墨烯(GO)薄片的边缘羧基与芳香胺的选择性反应产生的，绿色阴影区域突出显示。氧化石墨烯和酸催化直接酰胺化。
b由有序堆叠的芳酰胺桥接石墨烯片构成的纤维。插图:浸没在混凝剂胺中的两张边缘相连的独立胶片的数字图像;连接的边缘转换为深色。芳香酰胺键产生了扩展的共轭和增强的π-π相互作用，这与键固有的共价特性一起，提高了结构的稳健性和导电性。
图2. 通过选择性边缘连接，将GO片组装成具有高度定向和有序堆叠结构的带状宏观纤维的过程示意图。为便于比较，还举例说明了GO片无序组装成具有通常观察到的圆形截面的纤维，由于没有约束，这复制了针的几何结构。（b）具有酰胺桥的纤维和（c）对照纤维的典型横截面SEM图像。（d）酰胺连接纤维的横截面切片和（e）横截面切片的代表性HR-TEM图像。石墨烯纤维的二维WAXS衍射图。赤道和经向散射方向用青色和棕色箭头表示。颜色条是指以任意单位表示的强度。g（002）峰的（f，h）方位扫描积分曲线的赤道轴和经向轴积分得到相应的一维散射剖面。
图3. 酰胺连接GO纤维的固态
13C交叉极化NMR谱。冻干GO和酰胺连接GO纤维的b XPS C 1s光谱，（C）最佳酰胺连接GO纤维的N 1s光谱。为了标记N的类型，还显示了用过量胺和脂肪族铵盐制造的纤维的数据。酰胺连接GO纤维在NMP中轴向和堆积方向溶胀的三维光学图像；右面板：纤维的XRD图案。各向异性溶胀和较长的溶胀时间证实了在边缘存在选择性酰胺键和增强的π-π相互作用。误差条对应于来自至少15个位置的独立测量的统计误差。用激光衍射法对膨胀的酰胺桥联GO纤维和原始GO纤维分层片的胶体进行了粒度分布比较。
图4. 石墨烯纤维化学还原前后的应力-应变曲线；虚线是副本数据。b机械强度与文献中报告值的比较。（c）酰胺桥联石墨烯纤维和（d）未连接的控制纤维的拉曼G带频率下降与外加载应变的关系。酰胺连接石墨烯纤维的集体断裂机制和纯物理非键相互作用的控制纤维的分裂断裂机制。
相关研究成果由北京石墨烯研究院Fengxia Geng课题组2024年发表在Nature Communications (链接: https://doi.org/10.1038/s41467-024-49270-5)上。原文：Covalently bridging graphene edges for improving mechanical and electrical properties of fibers
转自《石墨烯研究》公众号
