CN110699779A

CN110699779A - 氧化石墨烯纤维布及其制备方法、石墨烯气体扩散膜及其制备方法

Info

Publication number: CN110699779A
Application number: CN201911058850.6A
Authority: CN
Inventors: 周步存; 周仁杰; 卢静
Original assignee: Changzhou Fuxi Technology Co Ltd
Current assignee: Changzhou Fuxi Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2039-11-01
Also published as: CN110699779B

Abstract

本发明提供一种石墨烯气体扩散膜，所述石墨烯气体扩散膜由条状的石墨烯交织而成，条状的石墨烯交织的交点被卷曲的片状石墨烯缠绕。本发明的石墨烯气体扩散膜导电性和导热性良好，具有良好的透气和透水性。

Description

氧化石墨烯纤维布及其制备方法、石墨烯气体扩散膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及导电材料领域，具体涉及采用石墨烯制备的气体扩散导电膜的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。

目前，常用的气体扩散层材料为堆叠的碳纤维，通过直接将碳纤维浸渍于树脂中，氧化、炭化、石墨化后形成的。然而，采用碳纤维堆叠的方式的导电性仍不强。

需要寻求一种既能有高导电性能，又能起到良好扩散效果的气体扩散层。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

针对现有技术存在问题中的一个或多个，本发明提供一种氧化石墨烯纤维，通过氧化石墨烯纤维制备出的石墨烯气体扩散膜，解决了现有技术中气体扩散膜导电性不高和透气性不佳的问题。

本发明提供一种氧化石墨烯纤维，包括氧化石墨烯片和添加剂，所述氧化石墨烯片层层堆叠并沿同一个方向卷曲形成条状结构，添加剂位于氧化石墨烯片之间。

优选地，所述添加剂与氧化石墨烯片表面键接或通过电荷吸附于氧化石墨烯片层之间

根据本发明的一个方面，所述闭合的筒状包括规则和不规则的筒状。所谓不规则筒状是指筒状从径向的的任一截面所形成的环并不完全一样，可以是圆形的，也可以是发生扭曲的闭合环。

根据本发明的一个方面，所述氧化石墨烯纤维的径向尺寸为1-10μm。

径向尺寸指的是该条状结构的氧化石墨烯纤维的截面的直径的径向尺寸。

根据本发明的一个方面，所述氧化石墨烯纤维的长度为10-100μm。

氧化石墨烯纤维的粗细和长度是有严格规定的。如果氧化石墨烯纤维的径向尺寸太大，纤维太粗，由纤维交织成的布表面结构不平整。氧化石墨烯纤维如果太长，超过100μm，容易缠绕在一起，不易分散；氧化石墨烯纤维如果太短，小于10μm，很难将氧化石墨烯纤维连起来交织成网状结构。

根据本发明的一个方面，所述添加剂包括可溶性钾盐、可溶性钙盐或乙二胺中的一种或两种以上的组合。

金属盐中含有正电荷金属离子，氧化石墨烯片带负电荷。组装时，金属盐可以拉近氧化石墨烯片层之间的距离。金属盐还可以对氧化石墨烯片层的官能团进行修饰，降低氧化石墨烯纤维的亲水性，使干燥后再次加入溶剂中的氧化石墨烯纤维的亲水性变差，不容易溶胀。

乙二胺能够与氧化石墨烯的官能团反应，起到还原的作用，以减少氧化石墨烯吸水的官能团。

本发明还提供一种氧化石墨烯纤维的制备方法，包括如下步骤：

将分散有添加剂的溶液与氧化石墨烯分散液混合均匀，得到氧化石墨烯浆料；

将氧化石墨烯浆料通过纺丝，得到氧化石墨烯纤维。

氧化石墨烯分散后形成浆料时为胶体状，通过纺丝，可以得到条状结构的氧化石墨烯纤维。

根据本发明的一个方面，氧化石墨烯分散液中的溶剂包括水或NMP。

根据本发明的一个方面，所述氧化石墨烯分散液的固含量为4％-6％。

优选地，所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯片层为3层以下。

氧化石墨烯纤维经过纺丝成条状结构后，需要对氧化石墨烯纤维进行干燥，在干燥的过程中，氧化石墨烯组装堆叠，外层的氧化石墨烯先干，在氢键的作用下排列成闭合的环形结构，里层的氧化石墨烯干燥后也会层层组装，形成外层氧化石墨烯包围里层氧化石墨烯的结构。

3层以下的氧化石墨烯在层层组装时会堆叠得更整齐，组装整齐的氧化石墨烯被还原成的石墨烯排列整齐，具有沿着定向方向的高导电性和高导热性。

根据本发明的一个方面，所述纺丝采用干纺或湿纺的方式。

本发明还提供一种氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料，包括所述的氧化石墨烯纤维、氧化石墨烯片和溶剂。

根据本发明的一个方面，所述溶剂包括水或NMP。

根据本发明的一个方面，所述氧化石墨烯纤维的含量为3％-10％。因为氧化石墨烯纤维在添加剂的作用下，亲水性变差，分散在复合浆料中处于悬浮状态。为了保证氧化石墨烯纤维分散均匀，不能缠绕在一起成团，因此选择3％-10％的含量。

根据本发明的一个方面，所述氧化石墨烯片和溶剂的质量比为(0.5-1)：(99-99.5)。氧化石墨烯片的作用是连接氧化石墨烯纤维，不需要过多的含量。如果氧化石墨烯片的含量过高，会增大复合浆料的粘度，影响氧化石墨烯纤维的分散。

优选地，所述氧化石墨烯片的片层为3层以下。

本发明还提供一种氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料的制备方法，包括如下步骤：

采用所述氧化石墨烯纤维的制备方法制备氧化石墨烯纤维；

将氧化石墨烯片分散在溶剂中，得到氧化石墨烯分散液；

将氧化石墨烯纤维分散到氧化石墨烯分散液中，形成氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料。

本发明还提供一种氧化石墨烯纤维布，包括所述氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片，所述氧化石墨烯片卷曲缠绕氧化石墨烯纤维，将氧化石墨烯纤维连接起来，连接起来的氧化石墨烯纤维交织成网状。如果没有氧化石墨烯片的存在，氧化石墨烯纤维无法自己组成高强度的纤维布。如果没有氧化石墨烯纤维的存在，氧化石墨烯片也无法自己组成纤维布。氧化石墨烯组装时，堆叠的形状和它所处的环境形状有关系，处在两根氧化石墨烯纤维交织处的氧化石墨烯片会依据交织处的形状紧贴着氧化石墨烯纤维进行包裹。

根据本发明的一个方面，所述氧化石墨烯片的片层为3层以下。

根据本发明的一个方面，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯片的固含量为0.5％-1％。

本发明还提供一种氧化石墨烯纤维布的制备方法，包括如下步骤：

采用所述氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料的制备方法制备氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料；

将所述复合浆料沉积在网布上，干燥，剥离网布，得到氧化石墨烯纤维布。

和普通的氧化石墨烯涂布组装不同的是，氧化石墨烯复合浆料是过量的，在干燥的过程中，需要将过量的浆料透出。网布主要起承载和将浆料透出的作用，其表面具有多个孔，方便氧化石墨烯片和氧化石墨烯纤维布的干燥，网孔的大小要满足既能排出浆料，又不会对氧化石墨烯纤维布的干燥造成影响的条件。网布优选透气、透水的材料，例如：金属或树脂。因为氧化石墨烯纤维在复合浆料中没有出现溶胀，因此在干燥的过程中，氧化石墨烯片和氧化石墨烯纤维的结合力不会受到溶胀的影响，氧化石墨烯片可以将氧化石墨烯纤维牢固地缠绕在一起。

根据本发明的一个方面，所述网布的网孔目数为200-1000目，能够保证既能将多余的氧化石墨烯浆料排出，又不会破坏氧化石墨烯纤维形成的网状结构。

本发明还提供一种石墨烯气体扩散膜，所述石墨烯气体扩散膜由条状的石墨烯交织而成，条状的石墨烯交织的交点被卷曲的片状石墨烯缠绕。

根据本发明的一个方面，所述石墨烯气体扩散膜的孔隙率为65％-80％。

根据本发明的一个方面，所述石墨烯气体扩散膜的电导率为(2-5)×10⁵S/m。

根据本发明的一个方面，所述石墨烯气体扩散膜的导热系数为300-600W/m·K。

卷曲的片状石墨烯将条状的石墨烯连结起来，形成网布的结构。交织的条状石墨烯使石墨烯气体扩散膜存在多个孔隙，这些孔隙为燃料电池提供了气体通道和排水通道。又由于石墨烯气体扩散膜的材料为石墨烯，石墨烯因其具有定向排列的结构，使石墨烯气体扩散膜的导电性高、导热性高。

本发明还提供一种石墨烯气体扩散膜的制备方法，包括如下步骤：

采用氧化石墨烯纤维布的制备方法制备氧化石墨烯纤维布；

对氧化石墨烯纤维布进行还原，得到石墨烯气体扩散膜。

根据本发明的一个方面，所述对氧化石墨烯纤维布进行还原的方法包括化学还原的方法和/或高温热还原的方法，优选高温热还原的方法。

根据本发明的一个方面，高温热还原采用高温炉进行还原。

根据本发明的一个方面，高温热还原的方法为：将温度升高至2400-2800℃，对氧化石墨烯进行还原。

优选地，升温速率为1-4℃/min。

进一步优选地，温度不到500℃时，升温速率为1℃/min；温度在500℃以上时，升温速率为3℃/min。

根据本发明的一个方面，进行高温热还原时，将氧化石墨烯纤维布置于氩气的环境中进行保护。

本发明的有益效果是：

本发明先制作条状的氧化石墨烯纤维，再采用氧化石墨烯片将氧化石墨烯纤维连结起来，形成网状的氧化石墨烯纤维布，再对氧化石墨烯纤维布进行还原得到石墨烯气体散热膜。本发明制备的石墨烯气体散热膜孔隙率高，具有良好的透气和透水的效果，同时，因其具有石墨烯定向排列的特性，使石墨烯气体扩散膜的导电性高、导热性高。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是条状氧化石墨烯纤维1的结构示意图；

图2是图1沿A-A方向的截面图；

图3是氧化石墨烯片2卷曲缠绕两条氧化石墨烯纤维1的结构示意图；

图4是图3沿B-B方向的截面图；

图5是石墨烯气体扩散膜的条状石墨烯3交点的结构示意图；

其中，1—氧化石墨烯纤维，11—氧化石墨烯纤维中的氧化石墨烯片，12—添加剂，2—氧化石墨烯片，3—条状石墨烯，4—片状石墨烯。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

作为本发明的第一种实施方式，展示了一种氧化石墨烯纤维1，包括氧化石墨烯片11和添加剂12，所述氧化石墨烯片11层层堆叠并沿同一个方向卷曲形成条状结构，添加剂位于氧化石墨烯片11之间。根据添加剂的种类不同，添加剂一般呈现两种方式固定于氧化石烯片11之间。一种是通过化为键与氧化石墨烯片11连接，形成稳定的键接关系。例如：乙二胺作为添加剂时，与氧化石墨烯片11可以形成键接的关系。另一种是通过电荷吸附于氧化石墨烯片11之间。例如：金属盐作为添加剂时，含有正电荷金属离子，氧化石墨烯片带负电荷之间形成静电吸附，使金属离子稳定的存于氧化石墨烯片11之间。

如图1和图2所示，所述闭合的筒状包括规则和不规则的筒状。所谓不规则筒状是指筒状从径向的的任一截面所形成的环并不完全一样，可以是圆形的，也可以是发生扭曲的闭合环。氧化石墨烯纤维1的截面的直径的径向尺寸为1-10μm，例如：1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm，等。氧化石墨烯纤维1的长度为10-100μm，例如：10μm、11μm、12μm、15μm、18μm、20μm、22μm、25μm、30μm、35μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、92μm、95μm、98μm、99μm、100μm，等。氧化石墨烯纤维的粗细和长度是有严格规定的。如果氧化石墨烯纤维的径向尺寸太大，纤维太粗，由纤维交织成的布表面结构不平整。氧化石墨烯纤维如果太长，超过100μm，容易缠绕在一起，不易分散；氧化石墨烯纤维如果太短，小于10μm，很难将氧化石墨烯纤维连起来交织成网状结构。添加剂包括可溶性钾盐、可溶性钙盐或乙二胺中的一种或两种以上的组合。金属盐中含有正电荷金属离子，氧化石墨烯片带负电荷。组装时，金属盐可以拉近氧化石墨烯片层之间的距离。金属盐还可以对氧化石墨烯片层的官能团进行修饰，降低氧化石墨烯纤维的亲水性，使干燥后再次加入溶剂中的氧化石墨烯纤维的亲水性变差，不容易溶胀。乙二胺能够与氧化石墨烯的官能团反应，起到还原的作用，以减少氧化石墨烯吸水的官能团。

作为本发明的第二种实施方式，展示了第一种实施方式的氧化石墨烯纤维1的制备方法，包括如下步骤：

将分散有添加剂的溶液与氧化石墨烯11分散液混合均匀，得到氧化石墨烯浆料；

将氧化石墨烯浆料通过纺丝，得到氧化石墨烯纤维1。

氧化石墨烯11分散后形成浆料时为胶体状，通过纺丝，可以得到条状结构的氧化石墨烯纤维1。氧化石墨烯分散液中的溶剂包括水或NMP。氧化石墨烯分散液的固含量为4％-6％，例如：4％、4.2％、4.5％、4.8％、5％、5.2％、5.5％、5.8％、5.9％、6％，等。氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯11片层为3层以下。氧化石墨烯纤维经过纺丝成条状结构后，需要对氧化石墨烯纤维进行干燥，在干燥的过程中，氧化石墨烯组装堆叠，外层的氧化石墨烯先干，在氢键的作用下排列成闭合的环形结构，里层的氧化石墨烯干燥后也会层层组装，形成外层氧化石墨烯包围里层氧化石墨烯的结构。3层以下的氧化石墨烯在层层组装时会堆叠得更整齐，组装整齐的氧化石墨烯被还原成的石墨烯排列整齐，具有沿着定向方向的高导电性和高导热性。纺丝采用干纺或湿纺的方式。

作为本发明的第三种实施方式，展示了一种氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料，包括第一种实施方式的氧化石墨烯纤维1、氧化石墨烯片2和溶剂。溶剂包括水或NMP。氧化石墨烯纤维1的含量为3％-10％，例如：3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％，等。因为氧化石墨烯纤维1在添加剂的作用下，亲水性变差，分散在复合浆料中处于悬浮状态。为了保证氧化石墨烯纤维1分散均匀，不能缠绕在一起成团，因此选择3％-10％的含量。氧化石墨烯片2和溶剂的质量比为(0.5-1)：(99-99.5)，例如：0.5:99.5、1:99、0.6:99.4、0.7:99.3、0.8:99.2、0.9:99.1，等。如图3和图4所示，氧化石墨烯片2的作用是连接氧化石墨烯纤维1，不需要过多的含量。如果氧化石墨烯片2的含量过高，会增大复合浆料的粘度，影响氧化石墨烯纤维1的分散。

优选地，所述氧化石墨烯片2的片层为3层以下。

作为本发明的第四种实施方式，展示了第三种实施方式的种氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料的制备方法，包括如下步骤：

采用第二种实施方式的氧化石墨烯纤维的制备方法制备氧化石墨烯纤维1；

将氧化石墨烯片2分散在溶剂中，得到氧化石墨烯分散液；

将氧化石墨烯纤维1分散到氧化石墨烯分散液中，形成氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料。

作为优选的实施方式，氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯片2的固含量为0.5％-1％，例如：0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％，等。

作为本发明的第五种实施方式，展示了一种氧化石墨烯纤维布，包括第一种实施方式的氧化石墨烯纤维1和氧化石墨烯片2，如图3和图4所示，氧化石墨烯片2卷曲缠绕氧化石墨烯纤维1，将氧化石墨烯纤维1连接起来，连接起来的氧化石墨烯纤维1交织成网状。如果没有氧化石墨烯片2的存在，氧化石墨烯纤维1无法自己组成高强度的纤维布。如果没有氧化石墨烯纤维1的存在，氧化石墨烯片2也无法自己组成纤维布。氧化石墨烯片2组装时，堆叠的形状和它所处的环境形状有关系，处在两根氧化石墨烯纤维1交织处的氧化石墨烯片2会依据交织处的形状紧贴着氧化石墨烯纤维2进行包裹。氧化石墨烯片2的片层为3层以下。

作为本发明的第六种实施方式，展示了第五种实施方式的氧化石墨烯纤维布的制备方法，包括如下步骤：

采用第四种实施方式的方法制备氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料；

将复合浆料沉积在网布上，干燥，剥离网布，得到氧化石墨烯纤维布。

和普通的氧化石墨烯涂布组装不同的是，氧化石墨烯复合浆料是过量的，在干燥的过程中，需要将过量的浆料透出。网布主要起承载和将浆料透出的作用，其表面具有多个孔，方便氧化石墨烯片和氧化石墨烯纤维布的干燥，网孔的大小要满足既能排出浆料，又不会对氧化石墨烯纤维布的干燥造成影响的条件。网布优选透气、透水的材料，例如：金属或树脂。因为氧化石墨烯纤维1在复合浆料中没有出现溶胀，因此在干燥的过程中，氧化石墨烯片2和氧化石墨烯纤维1的结合力不会受到溶胀的影响，氧化石墨烯片2可以将氧化石墨烯纤维1牢固地缠绕在一起。作为优选的实施方式，网布的网孔目数为200-1000目，例如：200目、300目、400目、500目、600目、700目、800目、900目、1000目，等，能够保证既能将多余的氧化石墨烯浆料排出，又不会破坏氧化石墨烯纤维形成的网状结构。

作为本发明的第七种实施方式，展示了一种石墨烯气体扩散膜，如图5所示，所述石墨烯气体扩散膜由条状石墨烯3交织而成，条状石墨烯3交织的交点被卷曲的片状石墨烯4缠绕。石墨烯气体扩散膜的孔隙率为65％-80％，例如：65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％、80％，等。石墨烯气体扩散膜的电导率为(2-5)×10⁵S/m，例如：2×10⁵S/m、2.5×10⁵S/m、3×10⁵S/m、3.5×10⁵S/m、4×10⁵S/m、4.5×10⁵S/m、5×10⁵S/m，等。石墨烯气体扩散膜的导热系数为300-600W/m·K，例如：300W/m·K、310W/m·K、320W/m·K、350W/m·K、380W/m·K、400W/m·K、420W/m·K、450W/m·K、480W/m·K、500W/m·K、520W/m·K、550W/m·K、580W/m·K、590W/m·K、600W/m·K，等。卷曲的片状石墨烯4将条状石墨烯1连结起来，形成网布的结构。交织的条状石墨烯1使石墨烯气体扩散膜存在多个孔隙，这些孔隙为燃料电池提供了气体通道和排水通道。又由于石墨烯气体扩散膜的材料为石墨烯，石墨烯因其具有定向排列的结构，使石墨烯气体扩散膜的导电性高。

作为本发明的第八种实施方式，展示了第七种实施方式的石墨烯气体扩散膜的制备方法，包括如下步骤：

采用第六种实施方式的制备方法制备氧化石墨烯纤维布；

对氧化石墨烯纤维布进行还原，得到石墨烯气体扩散膜。

对氧化石墨烯纤维布进行还原的方法包括化学还原的方法和/或高温热还原的方法，优选高温热还原的方法。高温热还原采用高温炉进行还原。高温热还原的方法为：将温度升高至2400-2800℃，例如：2400℃、2500℃、2600℃、2700℃、2800℃，等，对氧化石墨烯进行还原。升温速率为1-4℃/min，例如：1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min，等。作为优选的实施方式，温度不到500℃时，升温速率为1℃/min；温度在500℃以上时，升温速率为3℃/min。进行高温热还原时，将氧化石墨烯纤维布置于氩气的环境中进行保护。经过高温热还原后，氧化石墨烯纤维布中的添加剂和氧化石墨烯的含氧基团均从纤维布中脱离，最终形成碳含量在99.9％以上的石墨烯气体扩散膜。该石墨烯气体扩散膜孔隙大，一般在20μm以上、孔隙率高(65％-80％)且导电性强(导热系数可达600W/m·K)。

下面通过实施例对本发明的优越性进一步阐述：

实施例1A：

本实施例示出了一种氧化石墨烯纤维的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：将氧化石墨烯分散在去离子水中；

步骤2)：将氯化钾和乙二胺分别在去离子水中分散；

步骤3)：将步骤1)和步骤2)得到的溶液混合，分散均匀，得到氧化石墨烯浆料，其中氧化石墨烯为200g，氯化钾为4g，乙二胺为1g，去离子水总共为4795g，氧化石墨烯的固含量为4％；

步骤4)：将步骤3)得到的氧化石墨烯浆料通过湿法纺丝得到直径为2μm、长度为50μm的条状氧化石墨烯纤维。

实施例1B：

本实施例示出了采用实施例1A的方法制备氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：采用实施例1A的方法制备氧化石墨烯纤维；

步骤2)：将25g氧化石墨烯分散到2475g去离子水中，得到1％固含量的氧化石墨烯分散液；

步骤3)：将100g氧化石墨烯纤维分散到2500g的1％固含量的氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料。

实施例1C：

本实施例示出了采用实施例1B的方法制备氧化石墨烯纤维布的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：采用实施例1B的方法制备氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料；

步骤2)：将复合浆料沉积在网布上，干燥，剥离网布，得到氧化石墨烯纤维布。

实施例1D：

本实施例示出了采用实施例1C的方法制备石墨烯气体扩散膜的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：采用实施例1C的方法制备氧化石墨烯纤维布；

步骤2)：将氧化石墨烯纤维布采用高温炉进行还原，还原的温度是2800℃，升温速率为3℃/min，全程采用氩气进行保护，得到石墨烯气体扩散膜。该石墨烯气体扩散膜的孔隙率为65％，电导率为3×10⁵S/m，导热系数为550W/m·K。

实施例2A：

步骤1)：将氧化石墨烯分散在去离子水中；

步骤2)：将氯化钾、氯化钙和乙二胺分别在去离子水中分散；

步骤3)：将步骤1)和步骤2)得到的溶液混合，分散均匀，得到氧化石墨烯浆料，其中氧化石墨烯为250g，氯化钾为3g，氯化钙为1g，乙二胺为1g，去离子水总共为4745g，氧化石墨烯的固含量为5％；

步骤4)：将步骤3)得到的氧化石墨烯浆料通过干法纺丝得到直径为1μm、长度为30μm的条状氧化石墨烯纤维。

实施例2B：

本实施例示出了采用实施例2A的方法制备氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：采用实施例2A的方法制备氧化石墨烯纤维；

步骤2)：将10g氧化石墨烯分散到1990g去离子水中，得到0.5％固含量的氧化石墨烯分散液；

步骤3)：将100g氧化石墨烯纤维分散到2000g的0.5％固含量的氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料。

实施例2C：

本实施例示出了采用实施例2B的方法制备氧化石墨烯纤维布的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：采用实施例2B的方法制备氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料；

实施例2D：

本实施例示出了采用实施例2C的方法制备石墨烯气体扩散膜的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：采用实施例2C的方法制备氧化石墨烯纤维布；

步骤2)：将氧化石墨烯纤维布采用高温炉进行还原，还原的温度是2400℃，升温速率为4℃/min，全程采用氩气进行保护，得到石墨烯气体扩散膜。该石墨烯气体扩散膜的孔隙率为75％，电导率为2×10⁵S/m，导热系数为396W/m·K。

实施例3A：

步骤1)：将氧化石墨烯分散在去离子水中；

步骤2)：将氯化钙和乙二胺分别在去离子水中分散；

步骤3)：将步骤1)和步骤2)得到的溶液混合，分散均匀，得到氧化石墨烯浆料，其中氧化石墨烯为300g，氯化钙为6g，乙二胺为2g，去离子水总共为4692g，氧化石墨烯的固含量为6％；

步骤4)：将步骤3)得到的氧化石墨烯浆料通过干法纺丝得到直径为5μm、长度为50μm的条状氧化石墨烯纤维。

实施例3B：

本实施例示出了采用实施例3A的方法制备氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：采用实施例3A的方法制备氧化石墨烯纤维；

步骤2)：将15g氧化石墨烯分散到1985g去离子水中，得到0.75％固含量的氧化石墨烯分散液；

步骤3)：将150g氧化石墨烯纤维分散到2000g的0.75％固含量的氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料。

实施例3C：

本实施例示出了采用实施例3B的方法制备氧化石墨烯纤维布的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：采用实施例3B的方法制备氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料；

实施例3D：

本实施例示出了采用实施例3C的方法制备石墨烯气体扩散膜的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：采用实施例3C的方法制备氧化石墨烯纤维布；

步骤2)：将氧化石墨烯纤维布采用高温炉进行还原，还原的温度是2600℃，温度不到500℃时，升温速率为1℃/min，温度为500℃至2600℃时，升温速率为3℃/min，全程采用氩气进行保护，得到石墨烯气体扩散膜。该石墨烯气体扩散膜的孔隙率为80％，电导率为5×10⁵S/m，导热系数为334W/m·K。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种氧化石墨烯纤维，其特征在于，包括氧化石墨烯片和添加剂，所述氧化石墨烯片层层堆叠并沿同一个方向卷曲形成条状结构，添加剂位于氧化石墨烯片之间；

优选地，所述添加剂与氧化石墨烯片表面键接或通过电荷吸附于氧化石墨烯片层之间；

优选的，每一层氧化石墨烯为闭合的筒状，外层氧化石墨烯将里层的氧化石墨烯包围；

优选地，所述氧化石墨烯纤维的径向尺寸为1-10μm；

优选地，所述氧化石墨烯纤维的长度为10-100μm；

优选地，所述添加剂包括可溶性钾盐、可溶性钙盐或乙二胺中的一种或两种以上的组合。

2.一种氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将氧化石墨烯浆料通过纺丝得到氧化石墨烯纤维。

3.根据权利要求2所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯分散液中的溶剂包括水或NMP；

优选地，所述氧化石墨烯分散液的固含量为4％-6％；

优选地，所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯片层为3层以下；

优选地，所述纺丝采用干纺或湿纺的方式。

4.一种氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料，其特征在于，包括如权利要求1所述的氧化石墨烯纤维、氧化石墨烯片和溶剂；

优选地，所述溶剂包括水或NMP；

优选地，所述氧化石墨烯纤维的含量为3％-10％；

优选地，所述氧化石墨烯片和溶剂的质量比为(0.5-1)：(99-99.5)；

优选地，所述氧化石墨烯片的片层为3层以下。

5.一种氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用如权利要求2所述的方法制备氧化石墨烯纤维；

将氧化石墨烯片分散在溶剂中，得到氧化石墨烯分散液；

将氧化石墨烯纤维分散到氧化石墨烯分散液中，形成氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料；

优选地，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯片的固含量为0.5％-1％。

6.一种氧化石墨烯纤维布，其特征在于，包括如权利要求1所述的氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片，所述氧化石墨烯片卷曲缠绕氧化石墨烯纤维，将氧化石墨烯纤维连接起来，连接起来的氧化石墨烯纤维交织成网状；

优选地，所述氧化石墨烯片的片层为3层以下。

7.一种氧化石墨烯纤维布的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用如权利要求4所述的方法制备氧化石墨烯纤维和氧化石墨烯片的复合浆料；

将所述复合浆料沉积在网布上，干燥，剥离网布，得到氧化石墨烯纤维布；

优选地，所述网布的网孔目数为200-1000目。

8.一种石墨烯气体扩散膜，其特征在于，所述石墨烯气体扩散膜由条状的石墨烯交织而成，条状的石墨烯交织的交点被卷曲的片状石墨烯缠绕；

优选地，所述石墨烯气体扩散膜的孔隙率为65％-80％；

优选地，所述石墨烯气体扩散膜的电导率为(2-5)×10⁵S/m；

优选地，所述石墨烯气体扩散膜的导热系数为300-600W/m·K。

9.一种石墨烯气体扩散膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用如权利要求7的方法制备氧化石墨烯纤维布；

对氧化石墨烯纤维布进行还原，得到石墨烯气体扩散膜。

10.根据权利要求9所述的石墨烯气体扩散膜的制备方法，其特征在于，所述对氧化石墨烯纤维布进行还原的方法包括化学还原的方法和/或高温热还原的方法，优选高温热还原的方法；

优选地，高温热还原采用高温炉进行还原；

优选地，高温热还原的方法为：将温度升高至2400-2800℃对氧化石墨烯进行还原；进一步优选地，升温速率为1-4℃/min；进一步优选地，温度不到500℃时，升温速率为1℃/min；温度在500℃以上时，升温速率为3℃/min；

优选地，进行高温热还原时，将氧化石墨烯纤维布置于氩气的环境中进行保护。