从稻壳中制备的石墨烯-氧化物纤维：合成方法、基本物理性质、压阻效应的主要机制及其在触觉传感器中的应用

《Sensors and Actuators A: Physical》：Graphene-Oxide Fibers from Rice Husk: Synthesis Method, Basic Physical Properties, Piezoresistive Main Mechanism and its Application on Tactile Sensors

稻壳制备的石墨烯氧化物纤维通过氮气气氛可控热解（1073-1273K）合成，结构分析显示其具有多晶石墨特性、孔隙纤维形貌及羟基/环氧基团。电导率与带隙能量随热解温度变化，半导体行为显著。压阻效应源于压力诱导石墨烯层间距变化，灵敏度达7.37 kPa-1，为可持续生物质材料应用提供新方案。

　　本研究探讨了一种基于稻壳（Rice Husk, RH）合成的氧化石墨烯纤维（Graphene Oxide Fiber, GOF）材料，并将其应用于触觉传感器的开发。该材料的合成通过在氮气气氛下进行受控热解，碳化温度范围设定在1073 K至1273 K之间。通过一系列结构和光谱分析手段，包括X射线衍射（XRD）、电子衍射（ED）、高分辨率透射电镜（HR-TEM）、扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）和傅里叶变换红外光谱（FTIR），研究人员确认了GOF具有多层氧化石墨烯的特性，呈现出多晶结构、类似石墨的结构特征，以及多孔且纤维状的形态。此外，光谱分析还表明GOF中存在羟基（hydroxyl）和环氧基（epoxy）等功能团，这些特性与传统多层氧化石墨烯一致，为GOF的进一步应用提供了理论依据。

在性能方面，研究发现GOF的电导率和带隙能量随着碳化温度的变化而变化，表明其具有半导体行为。这种电导率的变化与材料的结构特性密切相关，尤其是GO层之间的距离。当外部压力施加时，GO层之间的间距发生变化，从而影响了电导率。这一现象被归因于压阻效应，即压力引起的GO层间距离变化，导致了电导率的显著变化。通过分析，研究人员发现这种压阻机制主要源于GO层之间连接性的变化。当压力增加时，GO层之间的距离减小，层间接触增强，从而形成了更多的导电通道，降低了材料的电阻。这一机制在多个研究中被验证，例如R. Li等人指出，当GO结构被多孔微球分隔时，压力的增加会促进层间接触，形成导电通道，从而降低电阻。Bing Lv等人则研究了机械变形对GO/聚吡咯和聚氨酯海绵层连接性的影响，发现这种变形会改变导电路径，从而影响电阻值。

除了层间连接性变化外，量子隧穿效应也被认为是压阻效应的重要机制之一。在GO结构中，当相邻层之间的间距变得极小时，电子可以通过量子隧穿效应穿过绝缘间隙，从而改变材料的总电阻。这一效应在低压力刺激下尤为显著，因为此时层间距离较大，量子隧穿效应成为主导因素。K. Zhou等人研究了一种由还原氧化石墨烯（rGO）层构成的可压缩导电碳气凝胶，指出压缩过程会减少层间间距，从而激活了增强灵敏度的量子输运机制。A. Al-Saygh等人则开发了一种基于聚偏氟乙烯（PVDF）和rGO、二氧化钛（TiO?）纳米颗粒的压力传感器，发现压缩会导致纳米颗粒之间的距离减小，从而形成更多的隧穿路径，使电阻显著下降，灵敏度提升超过300%。

此外，微结构重组也被认为是压阻效应的第三种主要机制。当外部压力作用于GO材料时，其层状结构会发生重组，导致电荷载体的运动路径发生变化。这种结构的变化不仅影响了材料的电导率，还可能改变其机械性能。例如，M. Iqra等人利用激光技术制造了rGO的多孔结构，并研究了压缩对结构的影响。结果表明，压缩会导致多孔结构的重新分布和部分塌陷，从而改变层间的连接性，影响电导率。G. Gilanizadehdizaj等人则研究了rGO复合传感器在弹性体基质中的行为，发现压缩会促使导电域的重新排列，从而改变导电路径。

通过这些机制的综合分析，研究人员发现GOF在触觉传感器的应用中表现出独特的性能优势。与传统的压力传感器相比，GOF具有更高的灵敏度，其压阻灵敏度达到7.37 kPa?1，这一数值比其他研究中报道的数值高出一个数量级。同时，GOF的制备方法具有可持续性和低成本的特点，因为它来源于稻壳这一农业废弃物，且可以通过简单的热解过程实现大规模生产。这种材料不仅能够满足触觉传感器对高灵敏度和良好机械性能的需求，还能够提供一种环保的替代方案，减少对传统金属和半导体材料的依赖。

研究团队还开发了一种基于GOF的触觉传感器原型，该原型的制造过程相对简单，能够实现高效的生产。传感器的设计充分利用了GOF的结构特性和电学性能，使其在检测外部压力变化时表现出优异的响应能力。此外，由于GOF具有良好的柔韧性和耐用性，其在柔性电子设备中的应用前景广阔，尤其适用于可穿戴电子、健康监测、电子皮肤（e-skin）、软体机器人和人机交互等领域。

在实验方法方面，研究团队采用了一种受控热解技术，通过调整碳化温度，可以精确控制GOF的结构和性能。热解过程在氮气气氛下进行，以避免材料氧化，确保其在高温下保持良好的化学稳定性。合成后的GOF样品经过手动研磨，使其粒径小于50 μm，以提高其在传感器中的分散性和导电性。所有实验方法均符合相关法规，确保了研究的合规性和安全性。

为了进一步验证GOF的压阻特性，研究人员进行了详细的结构和形貌分析。XRD图谱显示，GOF样品呈现出与石墨类似的结构特征，表明其在热解过程中形成了有序的层状结构。通过应用布拉格公式，研究人员计算了GO层之间的间距，并发现该间距随着碳化温度的升高而减小。这表明高温热解有助于提高GO层之间的接触程度，从而增强材料的导电性能。此外，拉曼光谱分析显示，GOF中存在典型的D带和G带，这些带对应于石墨烯氧化物的特征振动模式，进一步支持了其结构的正确性。

在实际应用方面，GOF的压阻特性使其成为一种极具潜力的智能材料。相比于传统的压力传感器，GOF不仅具有更高的灵敏度，还能够提供更稳定的电气响应。这种材料的制备方法简单，成本低廉，且能够利用农业废弃物作为原料，符合可持续发展的理念。因此，GOF在柔性电子设备和可穿戴技术中的应用前景广阔，有望成为新一代触觉传感器的重要组成部分。

总体而言，本研究不仅展示了GOF在触觉传感器中的卓越性能，还提出了其合成和应用的可行路径。通过合理的热解条件和结构调控，GOF能够实现高灵敏度、良好机械性能和优异电学特性的结合，为柔性电子器件的发展提供了新的思路。此外，该研究强调了利用可再生资源开发高性能材料的重要性，推动了绿色科技和可持续发展的进程。未来，随着对GOF性能的进一步优化和制备技术的不断改进，其在电子传感、医疗监测、智能机器人和人机交互等领域的应用将更加广泛。