目前,靜電紡絲技術可制備零維(0D),一維(1D),二維(2D)和三維(3D)導電納米纖維,這些納米結構賦予納米纖維許多優異的性能,例如光學性能、機械性能、熱性能和電學性能等。在納米材料中,石墨烯是一種可用于電紡絲的具有發展前景的納米填料,可增強機械、電氣和形態學等多種多功能性能,從而達到納米纖維所需的直徑或孔隙度。因此,將其與電紡納米纖維復合以改善復合材料的機械強度、親水性、電導率和熱穩定性等性能。

在這篇綜述中,作者全面介紹了石墨烯基電紡導電納米纖維、超級電容器、鋰離子電池正極和負極制備方面的研究發展,包括過去的主要進展、技術問題和納米結構材料的研究。此外,還討論了纖維化學中涉及的幾種方法和先進的表征技術,從而更好地理解纖維結構與電性能之間的機理。作者還提出獲得石墨烯基電紡納米纖維的主要挑戰是改善聚合物基質中氧化石墨烯的分散、排列和合適的負載量。最后,作者總結了石墨烯基電紡納米纖維是超級電容器、鋰離子電池正極和負極的主要納米復合材料之一,具有容量大、速率高、周期穩定性好等優點。石墨烯基納米纖維作為納米復合材料的應用,縮短了鋰離子電池的離子/電子的傳輸路徑,為多功能的納米復合材料設計提供了新思路。

圖1(a)采用同軸電紡絲制備PANi/G-PBASE/PMMA納米纖維的機理圖;(b)采用電紡絲并結合超聲噴涂的機理圖。

圖2(a)自支撐各向異性導電PI-GNR/CNT薄膜,其中GNR/CNT用作混合納米填料;(b)電紡絲制備GCNF MoS2。

鋰離子電池電極材料通常為粉末狀材料,在充放電過程中發生較大的體積膨脹等現象,導致其較差的循環性能。因此,研究者利用碳質材料對電池進行表面改性以提高電池性能。具有高比表面積的二維rGO納米片復合在電紡納米纖維中可以提高在鋰離子電池導電性以及抑制電極材料的體積膨脹,從而達到改善鋰離子電池的電化學性能的目的。

圖3 GCO納米纖維復合的制備過程示意圖。