石墨烯纤维（GFs）由石墨烯片层自组装形成，是一类极具前景的一维碳基功能材料，兼具轻质、柔性和优异导电性等突出优势，在柔性电子、智能织物、电磁屏蔽和能源器件等领域展现出广阔应用前景。然而，石墨烯纤维的制备长期面临一个核心瓶颈——石墨烯在液相体系中的自组装不稳定性。
当前，石墨烯纤维的生产主要依赖氧化石墨烯（GO）前驱体的湿法纺丝工艺。这一路线存在三大固有缺陷：
- GO→rGO还原不完全——化学还原或热还原难以完全恢复石墨烯的sp²碳网络，导致纤维导电性远低于理论值；
- 结构缺陷引入——GO的氧化-还原过程不可避免地在石墨烯晶格中引入大量拓扑缺陷和空位，损害力学和电学性能；
- 工艺繁琐——GO制备→分散→纺丝→还原→后处理，流程长、成本高、产率低。
根本解决方案是直接使用本征石墨烯（pristine graphene）为前驱体进行自组装纺丝，避免氧化-还原带来的结构损伤。然而，本征石墨烯在常用溶剂中极度难分散——强范德华力导致片层迅速团聚沉淀，无法形成稳定的液晶相，因而难以实现连续湿法纺丝。如何通过非共价功能化策略实现石墨烯的稳定分散，同时不破坏其本征电子结构，是突破石墨烯纤维制备瓶颈的关键科学问题。
本文，中国矿业大学（北京）刘金昌 副教授在《Langmuir》期刊发表名为”Graphene Stable Dispersion Driven by Noncovalent Functionalization and Graphene Fibers Preparation”的论文。该研究系统探究了非共价相互作用驱动的石墨烯稳定分散策略，深入揭示了不同表面活性剂/聚合物与石墨烯的界面作用机制，建立了分散稳定性与分子结构之间的构效关系，并基于稳定石墨烯分散液成功制备了高性能石墨烯纤维。
该工作的核心创新在于：(1) 非共价功能化策略系统筛选——系统比较了不同类型表面活性剂（离子型/非离子型）、聚合物和生物分子对石墨烯的分散稳定化效果；(2) 稳定分散机制解析——通过实验表征与理论计算相结合，揭示了π-π堆叠、疏水作用、静电排斥和氢键等非共价相互作用在石墨烯稳定分散中的协同机制；(3) 本征石墨烯直接纺丝——基于优化的非共价功能化分散液，实现了本征石墨烯的直接湿法纺丝，避免了GO路线的结构损伤，获得了高导电、高强度的石墨烯纤维。
图 1. Preparation process of GFs.
总而言之，该工作系统探究了非共价功能化驱动的石墨烯稳定分散策略，深入揭示了不同分散剂与石墨烯的界面作用机制，并基于稳定石墨烯液晶分散液成功实现了本征石墨烯纤维的直接湿法纺丝。核心发现与贡献包括：
- 非共价作用机制系统解析——π-π堆叠、疏水作用、静电排斥和空间位阻协同实现石墨烯稳定分散，含芳环分散剂（SDBS等）因强π-π吸附效果最优；
- 构效关系建立——分散剂分子结构→吸附能→分散稳定性→液晶相行为→纤维性能的全链条构效关系，为分散剂理性选择提供指导；
- 本征石墨烯直接纺丝突破——避免GO氧化-还原路线的结构损伤，纤维电导率较GO还原纤维提升1个数量级，力学强度显著提高；
- 多功能应用验证——石墨烯纤维在柔性导线、超级电容器、应变传感器和电热织物等领域展现优异性能，为可穿戴电子提供材料基础。
该工作为高性能石墨烯纤维的可控制备提供了理论指导和工艺优化策略，推动了石墨烯纤维从实验室走向柔性电子和智能织物的实际应用。
文献地址：10.1021/acs.langmuir.6c00386
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