[发明专利]一种氧化石墨烯纤维及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯纤维及其制备方法和应用，所述氧化石墨烯纤维在外界湿度变化下，自发高速旋转，将环境中的湿度变化产生的能量转化为电能，应用在发电机中，属于功能材料领域。 

背景技术

石墨烯是由一层碳原子组成的二维材料。单层石墨烯具有很高的电子迁移率，大的表面积，良好的机械强度和导热性能，常被用于新型性能优异的场效应晶体管，微处理以及分子探测器件等方面的研究。而将石墨烯进行组装成宏观的膜状、块状材料，以期其能发挥出优于普通膜状、块状材料的性能，这方面的研究备受国内外研究者的关注。目前，大批量制备石墨烯膜状、块状材料的方法已经相对成熟稳定，这些膜状、块装材料已经应用在超级电容器、锂离子电池、能源催化等领域。相对于膜状、块状材料，纤维状材料作为一种可编织可穿戴的材料，已经被研究可以用来制作纤维状电容器、锂离子电池、燃料敏化电池。 

石墨烯纤维是一种全新的由二维纳米材料组装的碳纤维。由于其内部石墨烯片层高度有序的排布，使其具有很好的电学、力学性能，并且非常容易对其进行原位功能化。从2012年首次制备出石墨烯纤维以来，对其的研究已经成为石墨烯组装材料研究的热点之一，并且已经成功将其应用到了可折叠可编织的纤维电容器的制备。但对于石墨烯纤维驱动性质的研究仍然处于初级阶段，目前利用激光加工，已经成功制备出了在外界湿度变化的条件下，能够像肌肉一样自发的可逆的弯曲、弯折的石墨烯纤维，将其放置在特定的空间里，它还可以像虫子一样向前爬行。 

氧化石墨烯是富含含氧官能团的功能化石墨烯，氧化石墨烯跟石墨烯具有类似的性质，同样具有大比表面积、良好的机械、力学和电学性能。对氧化石墨烯纤维的制备方法及其驱动性能的研究，仍鲜有报道。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯纤维及其制备方法和应用，所述纤维在周围环境湿度变化下，自发高速旋转，所述方法简单，成本低廉，可应用在发电机上。 

本发明的目的由以下技术方案实现： 

一种氧化石墨烯纤维，所述纤维表面呈紧密排布螺纹状，内部呈现石墨烯层状堆叠结构，表面螺纹状结构密度可调控，每米为1000～5000转，所述纤维直径为66～126μm。 

一种本发明所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，所述方法步骤如下： 

第一步：利用高锰酸钾氧化剥离石墨法（Hummers法）制备得到浓度为2～10mg/mL氧化石墨烯溶液； 

其中，所述Hummers法具体为：石墨粉、浓硫酸、硝酸钠，在冰浴、搅拌条件下，加入高锰酸钾，搅拌，升温至35℃，继续搅拌半小时后，加入去离子水，温度调至90℃，搅拌15分钟，再加入去离子水，继续搅拌，自然降温，加入过氧化氢，抽滤得到固体，洗涤离心，即得到所述氧化石墨烯溶液； 

第二步：将2～10mg/mL氧化石墨烯溶液在30～35℃的温度下搅拌进行水分蒸发浓缩，使氧化石墨烯溶液的浓度浓缩为15～20mg/mL； 

第三步：将15～20mg/mL的浓缩氧化石墨烯溶液灌入注射器，注射器针头内径范围为0.21～0.34mm； 

第四步：用第三步的注射器将其中的浓缩氧化石墨烯通过针头连续匀速注入饱和氯化钾甲醇溶液中。在饱和氯化钾甲醇溶液中得到湿的氧化石墨烯水凝胶纤维，直径为0.21～0.34mm； 

第五步：将第四步所得氧化石墨烯水凝胶纤维，从饱和氯化钾甲醇溶液中取出，将一端固定，另外一端固定在电机上；启动电机对氧化石墨烯水凝胶纤维进行旋转加工，每米氧化石墨烯纤维加工1000～5000转，加工停止后使所述纤维自然晾干；最终得到经过旋转加工的氧化石墨烯纤维，晾干后直径为66～126μm。 

一种本发明所述的氧化石墨烯纤维的应用：控制所述纤维周围湿度从20%变化到85%，所述纤维自发高速旋转，最高转速为578～5190转每分钟，所述纤维伸长2.3%～4.7%；控制所述纤维周围湿度从85%变化回到20%时，所述纤维高速回转，最高转速为578～5190转每分钟，长度变回原来的长度； 

所述纤维应用在发电机中，所述发电机有磁铁和铜线圈组成，发电机的开路电压为0.5～1mV，短路电流为20～40μA。 

有益效果 

（1）本发明使用一种简单的易于操作的方法制备出全新结构的，可以自发高速旋转的氧化石墨烯纤维。所述纤维质量高、性质稳定、转动性能优异，是利用周围环境湿度变化为能量来源进行自发高速转动的氧化石墨烯纤维； 

（2）本发明利用的原材料，来源广泛，合成技术成熟，质量高，成本低，可以大批量生产；