碳纖維（CF）因其優異的比強度和穩定性，在飛機、航天器、車輛、風力發電機葉片和能源電池等領域得到了廣泛應用。這些性能源于其純碳成分，由有序的石墨烯基sp²結構組成。然而，傳統的碳纖維制備方法依賴于有機碳化路徑，即將線性聚合物或小分子有機物在高溫下（通常超過1300°C）融合成石墨烯單元，此過程能耗巨大，約為 鋼鐵生產的17倍，且占總成本的約40%。因此，低溫生產碳纖維并降低能耗是一個長期存在的挑戰。
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構單元出發制造碳纖維，從而繞過傳統的有機碳化路徑。本研究報告了一種在常溫下通過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，并展示了優異的機械性能。
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圖1 | 通往碳纖維（CFs）的兩條路徑對比。a，在室溫下制備石墨烯纖維（GF）的節能路徑示意圖，該路徑步驟簡單，涉及天然石墨的化學剝離、域液晶濕法紡絲以及催化化學還原。b，在1300°C高溫下制備傳統碳纖維的示意圖，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，有機聚丙烯腈（PAN）的高溫碳化示意圖。e，不同試劑對氧化石墨烯進行化學還原以及聚丙烯腈碳化時，活化能（Ea）與處理溫度的關系圖。
解析
圖1概述：
圖1通過示意圖和關系圖，對比了制備碳纖維（CFs）的兩種不同路徑：一種是室溫下制備石墨烯纖維（GF）的節能路徑；另一種是高溫下制備傳統碳纖維的高耗能路徑。
a部分：
內容：展示了室溫下制備石墨烯纖維的節能路徑。
步驟：
1、化學剝離天然石墨：將天然石墨通過化學方法剝離成氧化石墨烯（GO）。
2、域液晶濕法紡絲：利用域液晶技術將GO溶液紡成纖維。
3、催化化學還原：在催化劑作用下，將GO還原成石墨烯纖維。
特點：步驟簡單，能耗低。
b部分：
內容：展示了在1300°C高溫下制備傳統碳纖維的高耗能路徑。
步驟：
熱氧化：在高溫下對有機前驅體進行氧化處理。
熱碳化：進一步在高溫下將氧化后的前驅體碳化成碳纖維。
特點：步驟復雜，能耗高。
c部分：
內容：室溫下氧化石墨烯（GO）的還原示意圖。
過程：展示了GO在室溫下通過化學還原劑（如氫碘酸和三氟乙酸）還原成石墨烯的過程。
特點：無需高溫，節能高效。
d部分：
內容：有機聚丙烯腈（PAN）的高溫碳化示意圖。
過程：展示了PAN在高溫下經過熱解和碳化過程，最終形成碳纖維。
特點：需要高溫處理，能耗大。
e部分：
內容：活化能（Ea）與處理溫度的關系圖。
數據：展示了不同化學還原劑對GO進行還原以及PAN碳化時，活化能隨處理溫度的變化情況。
分析：
GO的化學還原活化能較低，尤其是在使用氫碘酸作為還原劑時，活化能顯著低于PAN的高溫碳化過程。
PAN碳化需要較高的處理溫度和活化能，表明其能耗遠高于GO的化學還原過程。
意義：通過對比活化能和處理溫度，突出了室溫下制備石墨烯纖維的節能優勢。
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圖2 | df-GF的制備。a，區域液晶（domain LC）濕法紡絲方法示意圖，通過連續的區域折疊、凝固、固化和溶劑化拉伸步驟，制備出由數百根相互融合的原纖維組成的具有層次結構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構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內中值大小的微孔隙（i）。
j，ff-GF和df-GF的典型拉伸應力-應變曲線。插圖中的照片顯示了化學還原后收集的df-GF。比例尺，2 cm。
解析
圖2概述：
圖2詳細展示了df-GF（區域折疊石墨烯纖維）的制備過程及其與ff-GF（自由折疊石墨烯纖維）在結構和性能上的對比。
具體解析：
a部分：展示了區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構的石墨烯氧化物纖維（GOF）的連續步驟，包括區域折疊、凝固、固化和溶劑化拉伸。
b-e部分：通過結構示意圖和SEM圖像，對比了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構，而df-GOF則展示了高度折疊的結構。
f-i部分：利用FIB-SEM斷層掃描技術，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的結構更加致密。
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。通過對比可以明顯看出df-GF中微孔隙的減少。
j部分：給出了ff-GF和df-GF的典型拉伸應力-應變曲線，顯示了df-GF在拉伸強度上的顯著提升。插圖中的照片展示了化學還原后收集的df-GF樣品。
整體意義：
圖2通過詳細的實驗數據和圖像對比，證明了區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度方面的有效性。這一發現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）結構表征及其與強度的關系。
a, 組裝石墨烯折疊面積與石墨烯纖維領域尺寸的關系。a中的數據為獨立技術重復實驗的平均值±標準差（n>93）。b, 不同折疊面積制備的石墨烯纖維的拉伸強度。b中的數據為獨立技術重復實驗的平均值±標準差（n=20）。c,d, 組裝石墨烯的密度和孔隙率與折疊面積的關系（c）以及微孔尺寸與折疊面積的關系（d）。e, 石墨烯纖維的平均拉伸強度與微孔體積和組裝石墨烯折疊面積的關系。請注意，小角X射線散射（SAXS）可以收集到聚焦離子束-掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）斷層掃描無法觀察到的超小微孔，從而統計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框中展示。上述df-GF采用最精細的領域尺寸（144μm²）制備。
解析
這段文字詳細描述了圖3中的各個子圖及其所展示的內容，主要圍繞石墨烯纖維（GF）的結構表征及其與強度的關系展開。以下是對各部分的解析：
a圖：展示了組裝石墨烯的折疊面積如何依賴于石墨烯纖維的領域尺寸。數據通過大量獨立技術重復實驗獲得，并給出了平均值和標準差，表明了實驗的可靠性和準確性。
b圖：探討了不同折疊面積對石墨烯纖維拉伸強度的影響。同樣，數據來源于多個獨立實驗，并給出了統計上的平均值和標準差，揭示了折疊面積與拉伸強度之間的定量關系。
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。這些圖表提供了關于石墨烯纖維內部結構的深入信息，有助于理解其物理性能。
e圖：進一步分析了石墨烯纖維的平均拉伸強度與微孔體積和組裝石墨烯折疊面積之間的關系。通過SAXS技術，研究者能夠觀察到更小的微孔，從而更準確地評估微孔對拉伸強度的影響。
f圖：利用拉曼位移分布來表征在特定應變下（0.5%）df-GF和ff-GF的內部應力狀態。拉曼映射技術提供了纖維內部應力分布的直觀圖像，有助于理解應力如何影響纖維的斷裂行為。
g-j圖：通過SEM圖像展示了df-GF和ff-GF斷裂表面的微觀結構。這些圖像揭示了兩種纖維在斷裂行為上的顯著差異，df-GF表現出更為均勻的斷裂面，而ff-GF則呈現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構對纖維斷裂行為的重要影響。
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圖4 | 石墨烯纖維（GF）的結構演變與性能關系。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）的原子結構透射電子顯微鏡（TEM）圖像。比例尺，2納米。插圖展示了相應的選區電子衍射（SAED）圖譜。比例尺，3納米-1。d，通過X射線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）的結構演變，通過TEM（e）和X射線衍射（XRD）（f）進行追蹤。比例尺，5納米（e）。插圖展示了相應的SAED圖譜。比例尺，3納米-1。g，結構演變與熱導率和電導率的關系。數據表示為獨立技術重復的平均值±一個標準偏差（n=3）。h，強度×模量與加工溫度的Ashby圖表，說明了一個普遍規律，即通過增加輸入能量可以實現纖維材料更高的機械性能。我們的纖維打破了這一關鍵規律，在室溫下實現了高強度和高模量。
解析
圖4概述：
圖4主要展示了石墨烯纖維（GF）從原材料到最終產品的結構演變過程，以及這一過程中性能的變化，特別是機械性能、熱導率和電導率的變化。
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）的原子結構TEM圖像。
通過這些圖像，可以直觀地看到不同材料在原子尺度上的結構差異。
插圖中的SAED圖譜提供了關于材料結晶性的額外信息。
d部分：
展示了通過X射線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量的一個重要指標，因為它直接影響到纖維的導電性和機械性能。
e-f部分：
展示了從氧化石墨烯纖維（GOF）到石墨烯纖維（GF）的結構演變過程，通過TEM和XRD進行追蹤。
TEM圖像提供了結構變化的直觀證據，而XRD圖譜則提供了關于晶體結構和層間距的定量信息。
g部分：
探討了結構演變對熱導率和電導率的影響。
數據表明，隨著結構的優化和sp2雜化碳比例的增加，熱導率和電導率也相應提高。
h部分：
展示了強度×模量與加工溫度的Ashby圖表。
圖表說明了一個普遍規律：通常，通過增加加工溫度（即輸入能量）可以實現纖維材料更高的機械性能。
然而，本研究中的石墨烯纖維打破了這一規律，在室溫下就實現了高強度和高模量，這顯示了該研究在材料科學領域的突破性。
本研究成功在常溫下通過化學剝離石墨制備 氧化石墨烯（GO），結合域液晶濕法紡絲和催化化學還原，制備了高性能石墨烯基碳纖維。該過程避免了傳統方法中的高溫處理，顯著降低了能耗（約降低97%）。制備的石墨烯纖維（df-GF）展現出超高強度（平均5.19 GPa）和高楊氏模量（529 GPa），遠超以往報道的常溫制備的石墨烯纖維，甚至接近或超過某些高溫處理的碳纖維。通過域折疊策略，纖維內部形成了 高度折疊且緊密堆積的納米結構，顯著減少了組裝過程中產生的微孔缺陷（體積減少十倍以上），從而提高了應力分布的均勻性，增強了機械性能。df-GF不僅機械性能優異，還展現出高導熱性（232 W m?¹ K?¹），遠超高強度聚丙烯腈（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，有望大幅降低生產成本。通過精確控制域折疊納米結構，實現了材料性能的顯著提升，為高性能纖維的開發提供了新思路。鑒于df-GF的優異性能，其在航空航天、車輛制造、能源存儲等多個領域具有廣闊的應用前景。本研究展示了常溫下制備高性能碳纖維的可行性，未來工作將進一步優化制備工藝，探索更多種類的二維納米片組裝材料，以期實現更高性能和更廣泛的應用。https://doi.org/10.1038/s41563-025-02384-7
轉自《石墨烯研究》
