石墨烯纳米纤维材料结构特点及其研究进展

石墨烯纳米纤维材料结构特点及其研究进展

刘璐毅1，廖义彬1，李华南2，宋桥3,喻凤1，刘思源1

1吉林建筑大学 国际交流学院         吉林长春  130118

2吉林省东昇创联工程有限公司        吉林通化  134001

3一汽物流有限公司                  吉林长春  130062

[摘 要]：石墨烯是一种二维晶体，由碳原子杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有光学、电学、力学等特性，在材料学、能源、纺织等方面得到广泛的应用。本文以石墨烯的研究为核心，阐述石墨烯纳米纤维材料的国内外应用进展，展望其未来的发展趋势。

[关键词]：石墨烯；纳米纤维材料；研究进展

0 引言

石墨烯是目前发现的最薄、最坚硬、导电性能最强的新型纳米材料。石墨烯作为新材料产业的先导，在带动传统制造业转型升级，培育新兴产业增长点的作用越来越显著。石墨烯最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，运行速度提升数百倍。石墨烯具有完全透明、致密的特点，国内外学者开展了透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板等透明电子产品的研究[1]。同时，国内外学者将石墨烯材料与其他先进技术联合运用，制备具有抗腐蚀、防潮灯智能服装的研究中，为新型服装行业的奠定基础。

1 石墨烯的结构、性质、特点

石墨烯是指每个碳原子以sp²杂化形式紧密堆积成的单层二维纳米材料，其结构特点为蜂窝型六边形晶格，键角为 120 度，键长为 1.42 Å，存在着π键，π键共轭后会形成一个共轭大体系，极大地促进电子的迁移率，增强电导性；片层表面的纳米级褶皱可消除热力学涨落的限制，提升稳定性[2]。

2 石墨烯纳米纤维材料制备方法及其材料制备

纤维制备方法包括湿法纺丝和限域水热法，但很难制备微米级的纤维。静电纺丝是在其基础上，通过电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形，从圆锥尖端延展得到纤维细丝，制备纳米级直径的聚合物细丝。国内学者制备孔隙率高、比表面积大、力学强度高、热/化学稳定性好等特点的纳米纤维膜材料，通过吸附、抑菌、光催化等实现污染物高效去除[3]。

3 石墨烯国内外研究进展

国内外学者通过对石墨烯掺杂，优化石墨烯本征的理化性质，促进其在更多领域内的潜在应用。国内学者通过在纳米纤维膜材料中引入石墨烯以强化电子、传导等性能的方面研究成果十分显著[4-5]。

表1 国内研究进展

表2 国外研究进展

4 石墨烯材料在纺织行业应用

石墨烯是一种具有优异电学性能、力学性能、热性能、光学性能和较高的比表面积的新型碳材料，石墨烯材料的研发涉及国家高新技术材料的产业基础，产业关联涉及新材料、能源、环境、航空航天、国防等领域，对国家的发展起着重要作用[6]。近年来，石墨烯在纺织领域的应用日益广泛，石墨烯制备高性能纺织纤维及进行纺织品功能整理成为研究热点。结果见表3.

表3 石墨烯纳米纤维材料在纺织行业应用进展

5  发展趋势

综上，石墨烯因其独特的结构和功能已广泛地应用到多研究领域，通过更新石墨烯的结构，提升充电速度，电池容量，环境污染，安全性，在开发电子信息、环境保护、智能服装制备等新功能领域得到获得更快速的发展和应用。其次，将新技术引入到新能源汽车、光电、消费电子、海洋工程等高端应用领域。综上，石墨烯的市场应已开发到光电、消费电子、生物工程、环境保护等高端应用领域，未来通过技术革新，突破石墨烯的规模制备，提高石墨烯粉体的分散和基电极材料的复合等技术，为其在环境治理，电子信息、纺织业、现代工业和医疗卫生发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1]Hidaka Takumi, Nakamura Kosuke, Yoshimoto Hiroki, et al.Changing the structural and electronic properties of graphene and related two-dimensional materials using ion beam irradiation with NaCl sacrificial layer[J]. Carbon Reports,2022,1(1):22-31.

[2]Shiraishi M. Research on Spintronic Functions of Non-Metallic Materials and Its Modulation by External Fields [J]. Journal of the Magnetics Society of Japan, 2023,47(2):28-37.

[3]左 玉. 基于石墨烯-EDTA纳米材料电化学传感器的构建及应用[D]. 山西大学,2022.

[4]韩嘉悦. 石墨烯/有机薄膜复合光电探测器件研究 [D]. 电子科技大学,2022.

[5]徐芷芊. 基于有机导电聚合物及金属有机框架材料的电化学传感研究 [D]. 吉林大学,2022.

[6]赵孟欣,孟 哲,李和平, 等.氧化石墨烯调控钼酸铋在可见光下选择性光催化降解环境水中的抗生素[J].高等学校化学学报, 2020, 41(11):2479-2487.

项目: 大学生创新创业训练计划项目(S202210191076)，吉林省科技厅项目(20220203010SF )；城乡和住房建设部项目(2022-KJ-01)。