ACS Nano: 3D打印石墨烯泡沫

【引言】

石墨烯是集諸多優點于一身，有著廣泛應用前景的一種2D材料。但在許多應用中需要3D結構的石墨烯，目前制備3D結構石墨烯有很多方法，但這些方法制備的石墨烯也存在著諸如機械強度低，導電性差等問題。3D打印技術是一項可以直接把原材料制備成3D結構材料的技術，一些研究人員利用3D打印技術制備3D結構碳材料，但目前這種方法仍存在著許多問題。本文的研究人員基于3D打印技術提出了一種原位制備高質量石墨烯泡沫的方法，為石墨烯3D結構的制備提供新的思路。

【成果簡介】

近日，萊斯大學的Jun Lou教授、James M. Tour教授，天津大學趙乃勤教授聯合在ACS Nano上發文，題為“Three-Dimensional Printed Graphene Foams”。研究人員利用3D打印技術，通過層層組裝的方法制備出了高質量的三維石墨烯泡沫。研究者利用二氧化碳激光器加熱Ni和固體碳源復合物，Ni既作為石墨烯生長的模板也作為催化劑，通過層層組裝，制備出了孔隙率高達99.3%，密度低至0.015g/cm^-1的多層石墨烯泡沫。該石墨烯泡沫的電導率為8.7S/cm^-1，11kPa的儲存模量以及0.06的阻尼容量，展現出優異的物理性能。

【圖文導讀】

圖1 制備方法示意圖及照片

a, 原位3D打印石墨烯泡沫步驟示意圖；

b, 石墨烯泡沫去除Ni前后的照片對比。

圖2 氫氣環境下Ni骨架石墨烯泡沫不同條件下SEM圖像

Ni骨架石墨烯泡沫在氫氣環境，激光占空比100%的條件下，(a, b), (c, d), (e, f), (g, h)分別為光柵速度為5S, 3S, 2S, 1S下的SEM圖像。

圖3 石墨烯泡沫拉曼表征

a, 5S光柵速度下，10-100%的激光占空比條件下石墨烯泡沫拉曼表征；

b, 氫氣環境，100%激光占空比下，1-5S光柵速度條件下石墨烯泡沫拉曼表征。

圖4 除去Ni后的石墨烯泡沫SEM和TEM表征

a-c, 除去Ni后的石墨烯泡沫SEM圖像；

d-f，除去Ni后的石墨烯泡沫TEM圖像，d中插圖為SAED圖案。

圖5 除去Ni后的石墨烯泡沫結構表征

a, 拉曼表征；

b, XPS表征，插圖為C1s高分辨譜；

c, XRD表征；

d, TGA曲線。

圖6 電學性能測試

a, 電學性能測試方法示意圖；

b, 半對數標度下的C-V曲線；

c, 去除Ni后的石墨烯泡沫C-V曲線。

圖7 石墨烯泡沫動態力學分析

a, 儲存模量和損耗模量；

b, 室溫，1Hz條件下的阻尼容量。

【小結】

研究著利用3D打印技術，以Ni為模板和催化劑，固態碳作為碳源，層層組裝制備出了孔隙率高達99.3%，密度低至0.015g/cm^-1，電導率為8.7S/cm^-1，11kPa的儲存模量以及0.06的阻尼容量的高質量石墨烯泡沫。用此方法制備出的石墨烯泡沫在儲能材料、阻尼材料、吸聲材料等諸多領域有著廣泛的應用前景。

文獻鏈接：Three-Dimensional Printed Graphene Foams（ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.7b01987）

本文由材料人編輯部張濤麟編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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