聚丙烯腈奈米纖維模板製備中空“石墨烯”微管及其場致發射

本文報告了一種連線石墨烯片形成石墨烯中空微管（GHMs）的簡單工藝，可透過改變反應條件在100-500 nm範圍內調節微管直徑。研究者發現，在氨氣氣氛中對石墨烯氧化物（G-O）塗覆電紡PAN碳纖維進行退火時，如果薄片邊緣的N原子取代了碳原子，則石墨烯薄片可以彼此無縫連線。G-O/碳雜化奈米纖維骨架充當約束模板，石墨烯片在其周圍彎曲以形成管狀結構。透過此過程形成的GHMs與具有相對較低曲率的（非常）大直徑碳奈米管（CNT）相似，其電子場發射特性包括0。18 V/μm的低開啟電壓（在J=10μA/cm2時）、0。35 V/μm的低閾值場（在J=10 mA/cm2時）和高場發射穩定性。這種製備GHMs的工藝可以擴大規模以批次生產可變直徑的GHMs。

圖1。從掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、拉曼光譜和X射線光子光譜（XPS）獲得的GHMs的結構和組成。（a）CNFs表面上的一組rGO薄片；（b）將CNFs完全轉換為GHMs；（c）無缺陷的單個GHM表面；（d）含有缺陷的單個GHM表面；（e）GHMs的開放區；（f）柔性GHMs；（g）兩個隨機GHMs的TEM影象；（h）（g）所示的GHMs中選定區域的高解析度TEM影象；（I）顯示D、G和2D波段的GHMs的拉曼光譜；（j）單個GHM的TEM影象；（k）GHMs邊緣處的高解析度TEM影象，來自（g）所示樣品的選定區域，晶格條紋顯示石墨結構；（m）在水蒸氣中退火的GHMs和rG-O的XPS全掃描光譜。

圖2。（a）GHM形成示意圖；（b）三種主要的N原子取代的GHMs；碳原子是黑球，橙色是“石墨”N原子，紅色是“吡咯”N原子，藍色是“吡啶”N原子。（c）GHMs和（d）N摻雜rG-O中的N 1s XPS光譜。

圖3。模擬醚類在（a）之字形和（b）扶手椅邊緣的還原，以及（c）這兩種反應的相應能量分佈。每個還原過程都包括一箇中間狀態（IMS）和兩個過渡狀態（TS1和TS2）。這些狀態以及初始狀態（IS）和最終狀態（FS）在（a，b）中以俯檢視和側檢視顯示。場發射特性：（d）在μA範圍電流區域中GHMs的I-E特性顯示階梯狀行為，插圖顯示了電子發射電流密度（J）與GHMs施加電場（E）的典型函式關係圖。（e）相應F-N圖，以及（f）16小時內GHMs發射電流的時間依賴性。當電流在I0=6。5μA的設定點值時，其波動在±4％以內。