便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品的持續(xù)發(fā)展，極大加快了多功能性織物在健康檢測、無線通信、移動電源等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。特別是基于纖維的器件，由于其優(yōu)異的柔性、高強度、多功能性 和易于與現(xiàn)有紡織行業(yè)結(jié)合的優(yōu)勢，具有較大需求。到目前為止，碳纖維、碳納米管纖維、金屬線和石墨烯纖維已成功應(yīng)用于金屬離子電池、超級電容器和太陽能電池等纖維狀能量轉(zhuǎn)換和存儲裝置。但是，金屬基纖維由于其重量大和易腐蝕的缺點，使其未來的應(yīng)用前景受到很大的限制，而碳基纖維因其質(zhì)輕、耐腐蝕和生物惰性等優(yōu)勢而越來越獲得科研和工業(yè)界的重視。
自2004年Novoselov等成功剝離石墨烯以來，石墨烯作為一種單層碳原子的二維材料，與其它材料相比具有許多優(yōu)勢，包括高的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、比表面積、電荷密度、載流子遷移率和機(jī)械強度，這些卓越性能使其具有廣泛的應(yīng)用前景。基于此，石墨烯及其衍生物，包括氧化石墨烯和還原氧化石墨烯(rGO)，已被廣泛研究用于催化、金屬離子電池、超級電容器、抑菌織物、相變材料和光伏電池等眾多領(lǐng)域。從2011年高超教授團(tuán)隊通過濕法紡絲成功將二維的石墨烯納米片制備成宏觀一維石墨烯纖維以來，科學(xué)界對石墨烯纖維產(chǎn)生了日益濃厚的興趣。石墨烯纖維作為一種一維方向組裝的宏觀石墨烯材料，表現(xiàn)出一系列優(yōu)異的物理化學(xué)性能，包括高楊氏模量(~400 GPa)、拉伸強度(~2 GPa)、熱導(dǎo)率(~1570 W?m−1 ?K−1 )和電 導(dǎo)率(~2 × 107 S?m−1 ) 。此外，石墨烯纖維表現(xiàn)出比碳納米管纖維和碳纖維更好的柔韌性和可編織性。目前，已報道了多種制備石墨烯纖維的方法(圖1)，包括水熱法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)濕法紡絲和干紡。
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各種功能材料可以通過原位雜化和后處理方式與石墨烯纖維結(jié)合，制備的石墨烯基復(fù)合纖維憑借其低成本、高電導(dǎo)率、可調(diào)比表面積、孔徑貢獻(xiàn)和易于改性等優(yōu)點在能量轉(zhuǎn)換和存儲器件中表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，例如超級電容器、金屬離子電池、太陽能電池、自供電設(shè)備和熱電發(fā)電機(jī)。鑒于石墨烯纖維制備與應(yīng)用研究的重要性，本綜述主旨在于總結(jié)和展望石墨烯基纖維的性能及其在能量轉(zhuǎn)換與存儲領(lǐng)域的應(yīng)用。
首先，本文總結(jié)了石墨烯纖維的主要制備方法，包括限域水熱法、 CVD法、干法紡絲和濕法紡絲等。隨后，又針對石墨烯纖維本身性能的提升策略做了比較和總結(jié)。其次，詳細(xì)介紹了最近關(guān)于石墨烯纖維在能量存儲與轉(zhuǎn)換方面的相關(guān)應(yīng)用研究進(jìn)展，主要包括超級電容器、金屬離子電池、太陽能電池、神經(jīng)微電極、熱電轉(zhuǎn)化、相變纖維等。最后總結(jié)并討論了目前關(guān)于石墨烯纖維的主要挑戰(zhàn)，以及提升石墨 烯基纖維型器件的能量轉(zhuǎn)換與存儲性能的方向，相信隨著材料科學(xué)和技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，必能加速未來其在可穿戴電子器件等領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。
一、制備方式
由于二維石墨烯納米片表面沒有極性官能團(tuán)，其難以分散到除超強酸(氯磺酸)之外的極性溶劑中。此外，由于石墨烯片層之前強大的范德華力，分散的石墨烯納米片容易再次發(fā)生團(tuán)聚的現(xiàn)象。因此，石墨烯納米片難以直接組裝成石墨烯纖維。而氧化石墨烯作為石墨烯的衍生物之一，在石墨烯的表面和邊緣含有豐富的含氧官能團(tuán)，包括羥基、羰基和羧基。
因此氧化石墨烯可以分散到常規(guī)溶劑中，如水、N,N-二甲基甲酰胺、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮和四氫呋喃，并自發(fā)形成液晶相。氧化石墨烯液晶自身高度有序的結(jié)構(gòu)為在液態(tài)條件下將石墨烯片組裝成石墨烯纖維提供了一條可行的途徑。目前已報道的使用石墨烯(或氧化石墨烯)作為前驅(qū)體制造石墨烯纖維的策略主要包括形狀限制水熱法、CVD法、干膜滾動法、伸扭曲法、化學(xué)還原誘導(dǎo)自組裝法和濕法紡絲法。本節(jié)將重點介紹這幾種常用的石墨烯纖維的制備方法，并討論各種制備方法的優(yōu)缺點。
1.1 限域水熱法
2012年，曲良體教授團(tuán)隊開發(fā)了一種制備石墨烯纖維的全新方法。將8 mg?mL−1的氧化石墨 烯水溶液注入到直徑為0.4 mm的玻璃毛細(xì)管中，將毛細(xì)管的兩端密封后置于230 °C下處理2 h (圖2a)。
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由于水熱效應(yīng)可以通過部分消除含氧官能團(tuán)使氧化石墨烯納米片沉淀，氧化石墨烯液晶直接收縮成凝膠纖維。而石墨烯纖維的直徑和形狀可以通 過調(diào)節(jié)使用的毛細(xì)管模具來控制。研究表明該石墨烯纖維具有超低的密度0.23 g·cm−3 、高柔性等特點。此外，后續(xù)熱處理結(jié)果表明其拉伸強度可高達(dá) 420 MPa。此外，該制備方法具有良好的可調(diào)節(jié)性和兼容性，可以原位加入功能化添加劑，制備功能化的石墨烯復(fù)合纖維。例如，Dong等將磁性Fe3O4納米粒子在超聲作用下與氧化石墨烯懸浮液充分混合，然后在石英毛細(xì)管中進(jìn)行水熱處理，將Fe3O4原位摻雜進(jìn)入石墨烯片的夾層，獲得的Fe3O4/石墨烯纖維具有靈敏的磁響應(yīng)性能。一般而言，水熱效應(yīng)引起的毛細(xì)管收縮會導(dǎo)致纖維內(nèi)部石墨烯片的隨機(jī)褶皺，從而降低了排列順序。因此，受限水熱法獲得的石墨烯纖維的機(jī)械強度一般較低。但是，此種具有高孔隙率的褶皺結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步增強了電化學(xué)性能，并有利于在儲能中的功能化應(yīng)用。
1.2 CVD法
CVD法一般是通過高溫裂解碳基小分子，在催化基底上生長高品質(zhì)的單層石墨烯或少層石墨烯薄膜，如今在制備柔性和多孔的石墨烯纖維方面也得到了廣泛應(yīng)用。2011年，Li等首先通過CVD方法制備了少層石墨烯薄膜，在進(jìn)一步刻蝕基底后，將石墨烯薄膜鋪展于乙醇表面(圖2b)。在表面張力的作用下，薄膜的邊緣會逐漸向上卷曲。接著，通過鑷子將石墨烯薄膜從乙醇中抽出并隨著乙醇的揮發(fā)收縮成纖維狀結(jié)構(gòu)。該方法無需進(jìn)一步還原或純化，所制備的石墨烯纖維顯示出超過1000 S?m−1 的高電導(dǎo)率。
此外，可以通過直接在纖維型催化基底表面直接沉積石墨烯的方式制備石墨烯纖維。例如，Dai等通過在銅纖維表面沉積石墨烯，然后在鐵鹽中將銅基底刻蝕即可得到中空的石墨烯纖維。測試表明，該石墨烯纖維具有12730 S?m−1 的超高電導(dǎo)率。而且經(jīng)過超過1000次彎曲循環(huán)后，石墨烯纖維的電阻僅發(fā)生約2%的變化。該石墨烯纖維有望在超級電容器、傳感器和可穿戴電子產(chǎn)品中用作纖維電極。通常經(jīng)CVD法制備的石墨烯纖維由于完美的晶格結(jié)構(gòu)一般具有超高的電導(dǎo)率，有望成為制備高質(zhì)量石墨烯纖維的一種重要途徑。但是，目前的制備方法其成本相對較高，需要進(jìn)一步降低其制備成本以實現(xiàn)其大規(guī)模應(yīng)用。
1.3 干法紡絲
干紡方法是通過直接將氧化石墨烯液晶從干紡噴絲頭中擠出，無需凝固浴即可成型為纖維的方法，并可在空氣中收集，用于制造連續(xù)石墨烯纖 維。考慮到高濃度下氧化石墨烯液晶具有高彈性模量的凝膠狀行為，為了確保所制備的石墨烯纖維具有良好的強度和連續(xù)性，因此氧化石墨烯液 晶的濃度通常需大于8 mg?mL−1 。此外，由于高表面張力的溶劑會加劇氧化石墨烯納米片的收縮，低飽和蒸汽壓溶劑會延緩凝膠纖維的固化，氧化石墨烯液晶需分散在具有低表面張力和高飽和蒸汽壓的溶劑中，如甲醇、乙醇、丙酮和四氫呋喃。基于此，Gao等首先使用干紡技術(shù)制造連續(xù)的石墨烯纖維，并且表現(xiàn)出良好的柔韌性和強度(圖2c)。通過選擇甲醇和四氫呋喃等具有低表面張力和高揮發(fā)性的分散溶劑來實現(xiàn)氧化石墨烯液晶的干紡，制備的干紡石墨烯纖維具有高達(dá)19.12 MJ?m−3的超高韌性。
由于干法紡絲過程中溶劑可以循環(huán)利用，因此該紡絲方法有望實現(xiàn)石墨烯纖維的大規(guī)模綠色低成本制備。一般而言，干法紡絲具有較高的紡絲速率，因此十分有希望成為大規(guī)模制備石墨烯纖維的一種有效途徑。此外，由于此紡絲過程中溶劑可以循環(huán)利用，該紡絲方法有望實現(xiàn)石墨烯纖維的大規(guī)模綠色低成本制備。
1.4 濕法紡絲
通過上述方法制造的石墨烯纖維的拉伸強度通常低于150 MPa，這歸因于石墨烯片之間的弱相互作用和石墨烯纖維內(nèi)部的松散結(jié)構(gòu)。因此，大量的研究工作致力于通過濕紡方法制備高強度的 功能化石墨烯纖維。從2011年使用氧化石墨烯液晶，通過濕法紡絲制備連續(xù)的石墨烯纖維開始，這一方法備受研究者們關(guān)注與青睞。石墨烯纖維的濕法紡絲包括幾個主要過程：紡絲通道中的均質(zhì)化、凝固浴中的溶劑交換、通過拉伸收集和干燥，如圖2d所示，在紡絲管內(nèi)壁發(fā)生的單軸剪切流迫使氧化石墨烯片材達(dá)到高規(guī)則性。在凝固浴中，紡絲原液和凝固劑之間的溶劑交換導(dǎo)致從均相溶液到凝膠狀態(tài)的相變。在此過程中，合適的溶劑化物質(zhì)和粘合劑有助于氧化石墨烯片的定向排列，從而產(chǎn)生獨立且堅固的凝膠氧化石墨烯纖維，可以承受連續(xù)拉伸。從凝固浴中取出后，凝膠氧化石墨烯纖維通過干燥過程的毛細(xì)收縮力形成具有致密微結(jié)構(gòu)的細(xì)纖維。在形成纖維后，氧化石墨烯纖維可以通過化學(xué)或熱還原處理轉(zhuǎn)化為石墨烯纖維，以消除含氧官能團(tuán)從而 恢復(fù)石墨烯晶格。到目前為止，在機(jī)械性能方面，濕法紡絲制備的石墨烯纖維已達(dá)到2.2 GPa的機(jī) 械強度和400GPa的楊氏模量；在傳輸特性方面，已經(jīng)實現(xiàn)了8 × 105 S?m−1 的電導(dǎo)率和1290 W?m−1 ?K−1 的熱導(dǎo)率。
目前，濕法紡絲工藝憑借操作簡單、可規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點，在石墨烯纖維領(lǐng)域成為應(yīng)用和研究最廣泛的制備方法。在制備過程中，可以通過添加功能材料，同時改變凝固浴組分和紡絲以及后處理過程的參數(shù)，實現(xiàn)對石墨烯纖維結(jié)構(gòu)和功能的精準(zhǔn)調(diào)控。
二、石墨烯纖維的性能及優(yōu)化
宏觀石墨烯纖維的整體性質(zhì)由其基本單元石墨烯納米片的凝聚狀態(tài)決定，其可以通過調(diào)控氧化石墨烯片的尺寸和缺陷、加入功能化添加劑和改善還原條件來實現(xiàn)對石墨烯纖維性能的優(yōu)化。本節(jié)重點介紹石墨烯纖維的基本性能，并針對石墨烯纖維的機(jī)械強度、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，分別提出了改善和提升的策略。
2.1 拉伸強度
盡管目前單層石墨烯是已知報道中強度最高的材料，但對比理論強度，由石墨烯納米片組裝而成的石墨烯纖維的機(jī)械性能還有很大差距，因此 很多研究致力于提高石墨烯纖維如拉伸強度等方面的機(jī)械性能。首先，可以通過制備高度有序化的微觀堆疊結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高的拉伸強度。因此抑制和減少石墨烯納米片在纖維中的垂直取向至關(guān)重要。目前，已經(jīng)提出了兩種研究策略。第一，設(shè)計直徑逐漸減小的紡絲通道以控制膨脹率并提高伸長率。
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Xin等設(shè)計了一個直徑逐漸縮小的收縮通道，并將氧化石墨烯流體從寬入口擠出到窄出口(圖3a)。由于氧化石墨烯溶液的剪切變稀性，通道內(nèi)逐漸減小的橫截面積產(chǎn)生了沿流動方向的取向力，使得石墨烯納米片高度取向，大大提高了石墨烯纖維的軸向取向度和機(jī)械強度。其次，使用強后拉伸來限制 氧化石墨烯流體在徑向方向上的膨脹。
Xu等對氧化石墨烯纖維施加了后拉伸處理，大大提高了取向度，高達(dá)81%，并將機(jī)械強度和模量分別提升到2.2和400GPa。另外，通過在凝固浴中引入功能化添加劑可以進(jìn)一步調(diào)控石墨烯納米片層間的相互作用，從而提升纖維的機(jī)械性能。從氧化石墨烯纖維到石 墨烯纖維的演變過程中，主要有三種相互作用存在，即氫鍵、配位交聯(lián)和范德華相互作用。初紡的氧化石墨烯纖維的機(jī)械強度主要由含氧基團(tuán)之間的氫鍵決定。經(jīng)過化學(xué)/熱處理后，氧化石墨烯纖維通過部分去除含氧官能團(tuán)而轉(zhuǎn)化為還原氧化石墨烯纖維。在這個階段，引入配位交聯(lián)和范德華相互作用有助于提高石墨烯纖維的機(jī)械強度。通過添加多價陽離子來橋接多余的含氧基團(tuán)，可以加強兩個相鄰石墨烯層之間的配位交聯(lián)。
例如，Xu 等通過Ca2+交聯(lián)設(shè)計并制造了超強石墨烯纖維，結(jié)果表明引入Ca2+將石墨烯纖維的機(jī)械強度提高了65%–100%。此外，聚合物客體的引入還可以通過產(chǎn)生共價交聯(lián)或加強氫鍵和π–π范德華相互作用來加強層間作用。Jalili等在凝固浴中引入殼聚糖來進(jìn)一步加強石墨烯納米片之間的層間相互作用，使得石墨烯纖維的拉伸強度進(jìn)一步提升，達(dá)到442 MPa。其次，還原過程對制備的石墨烯纖維的機(jī)械強度也有較大的影響。正如之前所述，石墨烯纖維的制備大部分是通過還原氧化石墨烯纖維經(jīng)而得到，而還原過程及還原程度對纖維的性能影響至關(guān)重要。目前，通過化學(xué)還原劑和高溫?zé)徇€原是最常用的兩種還原氧化石墨烯的方法。但是化學(xué)液相還原過程難以修復(fù)氧化石墨烯納米片中受損的晶格結(jié)構(gòu)，還原程度相對不夠徹底。還原劑主要選用氫碘酸、水合肼、抗壞血酸、檸檬酸鈉和硼氫化鈉作為還原劑；而高溫?zé)徇€原(一般溫度為 1273–3273 K)則可以進(jìn)一步修復(fù)石墨烯納米片受損的晶格結(jié)構(gòu)，極大縮小石墨烯片層間距，提高排列規(guī)整度和堆積密度，從而使其強度大幅增加。
2.2 電導(dǎo)率
電導(dǎo)率是石墨烯纖維應(yīng)用于電化學(xué)能量存儲 的一個極其重要的參數(shù)。理論上石墨烯具有超過 200000 cm2 ?V−1 ?s−1 的高遷移率，但載流子濃度相對較低，這極大激發(fā)了研究者們對于提高石墨烯纖維電導(dǎo)率的研究興趣。表1總結(jié)了目前報道的一些關(guān)于石墨烯纖維的制備和改性方法以及對應(yīng)的性能參數(shù)。首先，可以通過加入高電導(dǎo)率材料來提升石墨烯纖維的電導(dǎo)率。
例如，Xu等將Ag納米線添加到氧化石墨烯紡絲液中(圖3b) ，紡絲管中的剪切力促使Ag納米線在獲得的石墨烯纖維中沿著軸向排列。結(jié)果表明制備的Ag納米線 摻雜石墨烯纖維展現(xiàn)出9 × 104 S?m−1 的電導(dǎo)率和 7.1 × 103 A?cm−1 的電流容量。其次，通過摻雜策略 可有效增加石墨烯纖維的電荷載流子密度，從而提高導(dǎo)電性。
Liu等通過將鉀(K)等電子供體元素或溴(Br)等電子受體元素?fù)诫s到石墨烯纖維中，制 備的雜化石墨烯纖維的電導(dǎo)率分別達(dá)到了2.24 × 107 S?m−1 (K)或1.5 × 107 S?m−1 (Br)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原始 石墨烯纖維(8.0 × 105 S?m−1 )，與鋁(3.5 × 107 S?m−1 )、銅(5.9 × 107 S?m−1 )等典型金屬相當(dāng)。另外， 高溫(> 1500 °C)退火處理是大幅提高石墨烯纖維的導(dǎo)電性的最有效方法，但這種苛刻的處理會引起能源消耗和成本問題。
2.3 熱導(dǎo)率
與單層石墨烯相比，普遍認(rèn)為多層石墨烯的熱導(dǎo)率幾乎隨石墨烯層數(shù)呈線性遞減的趨勢,這種效應(yīng)的主要原因是層間較強的范德華相互作用限制了石墨烯納米片的自由振動，從而阻礙了聲子傳輸。此外，晶界也可以對此產(chǎn)生影響。可以通過在石墨烯纖維中形成大尺寸石墨化晶體的策略來降低聲子散射和振動限制，這有助于更有效的聲子傳輸。高溫處理可以修復(fù)受損的石墨 烯納米片并促進(jìn)石墨化晶體的生長。
Xin等發(fā)現(xiàn)當(dāng)退火溫度從1400 °C增加到2850 °C時(圖3c)，石墨烯纖維的晶疇尺寸從40–50 nm顯著提高到783 nm，熱導(dǎo)率從~300 W?m−1 ?K−1 增加到~1290 W?m−1 ?K−1 。目前，通過對材料、制備工藝的調(diào)控以及后續(xù)處理， 石墨烯纖維的導(dǎo)熱系數(shù)已超過碳纖維和碳納米管纖維。但是，還需要進(jìn)一步研究和改善石墨烯纖維的制備工藝，修復(fù)纖維內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷，改善內(nèi)部石墨烯納米片取向，來獲得更高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨烯纖維。
三、石墨烯基纖維的儲能應(yīng)用
隨著人們對生活需求的日益提高，石墨烯 纖維在功能化織物領(lǐng)域的相關(guān)研究變得更加重要。石墨烯纖維憑借其超高的導(dǎo)電性、柔韌性、導(dǎo)熱性、孔隙率、韌性和強度，在超級電容器、金屬離子電池、神經(jīng)微電極、 熱電器件、太陽能電池以及相變纖維等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。本節(jié)主要圍繞石墨 烯纖維基能量存儲和轉(zhuǎn)化器件，針對器件的構(gòu)型和性能提升策略進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)與討論。
3.1 能量存儲
目前，纖維型能量存儲器件的組裝方式主要分為三種，包括平行、扭曲和同軸，已被廣泛用于制造纖維型器件。
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如圖4所示，平行結(jié)構(gòu)是通過將兩個互相平行的纖維電極與夾在它們之間的隔板配對來組裝的。如果使用的是液體電解質(zhì)， 則該器件需要進(jìn)一步封裝以防止電解質(zhì)發(fā)生泄漏。扭曲結(jié)構(gòu)是通過將兩個纖維電極扭曲纏繞在 一起獲得的，這通常需要在每個纖維電極的表面上預(yù)涂(準(zhǔn))固態(tài)電解質(zhì)以防止發(fā)生短路。此種結(jié)構(gòu)顯示出類似于織物長絲的結(jié)構(gòu)，因此扭曲型纖維似乎非常適合可穿戴應(yīng)用，并且可以很容易地編織成放大的能源紡織品。而同軸結(jié)構(gòu)通常通過逐層組裝程序和同軸三層針頭同時紡絲實現(xiàn)，其中一個纖維電極作為核心，然后依次包裹凝膠電解質(zhì)或核膜，另一個電極圍繞核心纖維。
整個器件顯示了一個核殼架構(gòu)，所有組件共享同一中心軸。與同軸型相比，平行和扭曲結(jié)構(gòu)在制造簡易性和直徑可調(diào)性方面具有明顯的優(yōu)勢，展示出大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。然而，兩個纖維電極之間的有效界面面積和活性材料的載量相對較低，從而限制了能量和功率密度。相對地，同軸型構(gòu)型可以在電極之間提供更緊密和有效的界面?zhèn)鬏攨^(qū)域，有利于實現(xiàn)更高的功率密度和達(dá)到更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
3.2 能量轉(zhuǎn)換
纖維熱電器件
在之前的報道和理論計算中，石墨烯已被證實是熱電材料有希望的候選者。石墨烯纖維作為典型的一維石墨烯宏觀體，憑借其高導(dǎo)電性、可調(diào)結(jié)構(gòu)和良好的柔韌性，在纖維狀熱電發(fā)生器方面引起了廣泛關(guān)注。
熱電材料性能通常取決于品質(zhì)因數(shù)(ZT)：ZT = TσS2 λ 其中S、σ、T、λ分別為塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、溫度 和熱導(dǎo)率。因此，優(yōu)良的熱電材料必須具有顯著的 導(dǎo)電性、高塞貝克系數(shù)以及較低的熱導(dǎo)率。
石墨烯纖維基的熱電發(fā)生器在2016年首次報道，Ma 等對其熱電特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究(圖9a，b)。該石墨烯纖維的S和ZT分別為−3.9 μV?K−1 和3.7 × 10−6 (289 K)。為了提高石墨烯纖維的ZT和功率因數(shù)，目前已經(jīng)做了許多嘗試，例如往石墨烯纖維中摻雜導(dǎo)電聚合物或通過元素?fù)诫s豐富缺陷位點。
例如， Liu等通過形狀受限的水熱法制備了聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸鹽) (PEDOT:PSS)/石 墨烯雜化纖維(圖9c)。該雜化纖維顯示出較高的電 導(dǎo)率(94.2 S?cm−1 )、塞貝克系數(shù)(13.4–17.4 μV?K−1 ) 和功率因子(2.9 μW?m−1 ?K−2 )。混合纖維增強的熱 電轉(zhuǎn)化性能主要歸因于摻雜導(dǎo)電PEDOT后電導(dǎo)率 的增加，因為電荷載流子的傳輸勢壘降低。更重要的是，包含p型和n型混合光纖的組裝熱電器件表 現(xiàn)出4.07 mV和2.27 μW?cm−2 的輸出電壓和功率密 度，展示了在可穿戴設(shè)備上作為能量收集器的潛力。
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類似的，Jiang等通過摻雜聚乙氧基乙烯亞 胺設(shè)計了一種沒有任何粘合劑的集成p/n結(jié)全石墨 烯纖維，制造的p型石墨烯纖維的ZT和功率因子分 別為2.04 × 10−6 和0.78 μW·m−1 K−2 (圖9d，e)。此 外，p/n-GFs可以編織到柔性聚二甲基硅氧烷基板 中以制備可穿戴熱電發(fā)生器，室溫下最大輸出功率可達(dá)1.3 pW。溴摻雜石墨烯纖維的ZT為2.76 × 10−3 ， 在整個溫度范圍內(nèi)比未摻雜的石墨烯纖維高3倍。此外，Gao等制備的溴摻雜石墨烯纖維的室溫功率因數(shù)可達(dá)624 μW·m−1 ?K−2 ，遠(yuǎn)高于僅由石墨烯和碳納米管構(gòu)成的材料。溴摻雜提高石墨烯纖維的熱電性能主要歸納為：
(1)溴摻雜后雜化石墨烯纖維的缺陷數(shù)量增加，導(dǎo)致聲子散射增強，從而使得石墨烯纖維的熱導(dǎo)率降低；
(2)通過降低費米能級 來增加塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率。盡管目前基于石墨烯纖維的熱電發(fā)生器已經(jīng)取得了較大成就，但仍存在巨大的挑戰(zhàn)：(i)良好的熱電性能需要高溫差；(ii)輸出電壓較低，難以滿足可穿戴電子產(chǎn)品的要求；(iii)目前p/n結(jié)組裝規(guī)模 有限且機(jī)械順應(yīng)性有限。
