石墨烯是从石墨上剥离出来的只有一层原子厚度的二维晶体，​​厚度约为0.34 nm。 继1985年报道C60（富勒烯）和1991年碳纳米管之后，2004年石墨烯的发现再次推动了碳纳米材料的研究。 研究表明，石墨烯具有非凡的机械性能、导电性、热性能和光学性能。 为了将石墨烯的这些优异性能应用于实际应用，三维石墨烯泡沫、二维石墨烯薄膜和一维石墨烯复合纤维被开发出来。

目前，石墨烯复合纤维的特点和制备方法有哪些？ 不同的制备方法与纤维性能之间有何关系？ 石墨烯与纤维的结合会迸发出怎样的火花？ 小编整理了国内外石墨烯纤维的研究现状、应用领域及发展前景。

1 石墨烯复合纤维

石墨烯复合纤维材料大致分为石墨烯-聚合物复合纤维材料、石墨烯-无机金属复合纤维材料和石墨烯-无机非金属复合纤维材料三类。 下表给出了石墨烯复合纤维的几种制备方法以及相应纤维的力学性能和导电性能。

(1)石墨烯-聚合物复合纤维

目前制备的石墨烯-聚合物复合纤维主要有石墨烯/PVA复合纤维、石墨烯/HPG复合纤维、石墨烯/PAN复合纤维等。 新加坡国立大学鲍巧巧教授等人利用静电纺丝技术，将共轭有机分子改性石墨烯与（PVA）共混，得到石墨烯复合纤维，石墨烯的添加使聚合物纤维的拉伸强度提高了约4倍，吸光度增加约10倍。

石墨烯/PVA复合纤维的制备原理

浙江大学高超教授等人提出了“液晶自构模板”的方法，将石墨烯与超支化聚缩水甘油醚（HPG）结合，得到具有超高拉伸强度的贝壳状纤维。 纤维的拉伸强度相当大（652MPa），约为贝壳的5至8倍。 同时，提出了新的“反转”策略，利用湿纺自组装将石墨烯与聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）结合，再次制备出抗拉强度（500 MPa）是壳的3至4倍。 仿贝壳纤维。

石墨烯/GMA复合纤维的制备原理

东京工业大学教授谷冈明彦等人将氧化石墨烯添加到聚丙烯腈（PAN）纺丝溶液中，通过静电纺丝制备石墨烯/PAN复合纤维。 当氧化石墨烯含量为0.5%时，所得复合纤维的电导率，为165S/cm。

(2)石墨烯-无机金属复合纤维

韩国材料科学研究所Sang Su Yoon教授等人采用湿法纺丝将大片石墨烯（56±20μm）与纳米银颗粒复合，制备出电导率高达15 800 S的石墨烯/纳米银复合纤维/厘米 。 此外，该复合纤维易于切割并粘附在柔性基材上，将广泛应用于纤维型电极材料、纤维型晶体管、纤维型电容器等领域。

石墨烯/Ag复合纤维的微观结构和电导率曲线

高超等. 浙江大学的张教授采用湿法纺丝法将氧化石墨烯与纳米银颗粒混合，然后用还原，制备出电导率为930 S/cm的石墨烯/纳米银复合纤维。 北京理工大学曲良体教授等人采用电化学沉积方法，在石墨烯纤维外层电沉积MnO2颗粒，得到复合纤维。 由这种多层复合纤维制备的纤维型电容器表现出很强的电化学性能。 电容器特性。

不同MnO2沉积时间下MnO2/石墨烯/石墨烯纤维复合材料的SEM照片

浙江大学高超教授等人在前期工作的基础上，通过气相插层反应制备了插金属钙的石墨烯纤维，并测试了其电导率与温度的关系。 结果发现，当温度降低到11 K时，插钙石墨烯纤维的电阻急剧下降，表现出超导体的特性，而当温度达到4 K时，电阻为零。 此外，通过磁性能的表征，还证实了插钙石墨烯纤维超导的本征特性。 这种新型轻质超导纤维在低温物理、医学磁共振成像、超导量子干涉、未来电力传输、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

超导石墨烯纤维的电阻与温度的关系，插图为超导纤维照片。

(3)石墨烯-无机非金属复合纤维

杜克大学刘杰教授等人将未功能化的多壁碳纳米管直接分散到氧化石墨烯溶液中进行湿法纺丝，然后还原得到石墨烯/碳纳米管（CNTs）复合纤维。 CNT的添加使石墨烯纤维的拉伸强度从193.3 MPa提高到385.7 MPa，电导率从53.3 S/cm提高到210.7 S/cm。 同时，石墨烯/碳纳米管复合纤维应用于线性超级电容器时，其比电容和能量密度均得到大幅提升，在石墨烯基电极材料领域具有良好的发展前景。

美国特拉华大学Zuwei Zou教授等人还采用湿法纺丝，在还原氧化石墨烯外层涂覆碳纳米管薄膜，得到石墨烯/CNTs复合纤维。 CNT的添加使石墨烯纤维的强度和电导率分别提高了22%和49%。

北京理工大学曲良悌教授等人以Fe3O4为催化剂，通过化学气相沉积（CVD）在石墨烯纤维表面直接生长CNT，得到石墨烯/CNTs复合纤维。 除了用作织物超级电容器外，石墨烯/碳纳米管复合纤维还可以应用于催化、分离、吸附材料等更多领域。

2 石墨烯复合纤维的应用

由于石墨烯复合纤维具有柔韧性好、重量轻、导电性能和热性能优良等优点，被广泛应用于各个领域。 根据近年来的文献报道，其应用主要集中在以下几个方面。

(一)生物材料

2013年，泰国朱拉隆功国立大学和Nipapan Ruecha等人。 利用静电纺丝构建了一种新颖且高灵敏度的电化学系统来检测多巴胺。 他们在丝网印刷碳电极的表面修饰了一层石墨烯/聚苯胺/聚苯乙烯复合纤维。 在条件下，多巴胺的检测量可以达到0.05 nM。 此外，该电极系统具有非常宽的动态范围：0.1 nM 至 100 μM。

（2）储能材料（超级电容器）

曼彻斯特大学的Robert AW Dryfe等人采用电泳沉积的方法在碳纤维表面沉积石墨烯-碳纳米管复合层，得到石墨烯-碳纳米管/碳纤维（G-CNT/CC）复合纤维。 所得电极的比电容（151 F/g）是纯石墨烯纤维电极（58.8 F/g）的2.5倍，其能量密度（14.5 W·h/kg）也远高于纯石墨烯纤维电极。石墨烯纤维电极（5.6 W·h/kg）。 曲良体等人在石墨烯纤维表面沉积MnO2，使石墨烯纤维的比电容提高到36 F/g。

G-CNT/CC复合纤维的SEM图像

(3) 电线

北京理工大学的董泽林等人用石墨烯复合纤维作为线材编织导电织物； 浙江大学高超教授等人使用石墨烯复合纤维作为LED晶体管的电线，还混合纳米银和石墨烯制成高导电织物。 石墨烯/纳米银复合纤维（电导率930 S/cm）； 复旦大学彭惠生教授等人从碳纳米管片中提取碳纳米管阵列，沿轴向堆叠，加入氧化石墨烯溶液，最后混合加捻，得到石墨烯/CNT复合纤维。

(4)光催化

中国海洋大学高孟春教授等人在氧化石墨烯乙醇溶液中添加硝酸铟、聚乙二醇和二乙酰丙酮氧化钒制备纺丝液，静电纺丝后进行煅烧，得到石墨烯/氧化钒铟（RGO/InVO4）复合纤维,表现出良好的光催化性能。 韩国国立全南大学Bo-Hye Kim等通过静电纺丝获得含氧化石墨烯的聚合物纤维，并通过煅烧获得石墨烯/碳复合纤维，然后将获得的纤维浸泡在含氧化钛溶液中，高高温煅烧得到石墨烯复合纤维。

可见光照射下光催化降解罗丹明B的可能机制

概括

各种石墨烯复合纤维层出不穷，制备方法也各不相同。 复合纤维的制备方法对其拉伸强度和导电性能有重要影响。 其中，干法纺丝和湿法纺丝制备的复合纤维的拉伸强度明显强于静电纺丝。 同时，通过对比同一样品的氧化石墨烯还原方法，发现与高温煅烧相比，HI酸还原能够更好地保留石墨烯的优异性能。

尽管石墨烯复合纤维已展现出良好的应用前景，但其制备工艺仍需改进，以获得比单层石墨烯机械性能和导电性能更好的材料。 此外，对其光学和热学方面的研究还很少。 相信在不久的将来，性能更好的石墨烯复合纤维将会问世，其应用领域将进一步扩大。