ACS Nano: 3D打印石墨烯泡沫

【引言】

石墨烯是集诸多优点于一身，有着广泛应用前景的一种2D材料。但在许多应用中需要3D结构的石墨烯，目前制备3D结构石墨烯有很多方法，但这些方法制备的石墨烯也存在着诸如机械强度低，导电性差等问题。3D打印技术是一项可以直接把原材料制备成3D结构材料的技术，一些研究人员利用3D打印技术制备3D结构碳材料，但目前这种方法仍存在着许多问题。本文的研究人员基于3D打印技术提出了一种原位制备高质量石墨烯泡沫的方法，为石墨烯3D结构的制备提供新的思路。

【成果简介】

近日，莱斯大学的Jun Lou教授、James M. Tour教授，天津大学赵乃勤教授联合在ACS Nano上发文，题为“Three-Dimensional Printed Graphene Foams”。研究人员利用3D打印技术，通过层层组装的方法制备出了高质量的三维石墨烯泡沫。研究者利用二氧化碳激光器加热Ni和固体碳源复合物，Ni既作为石墨烯生长的模板也作为催化剂，通过层层组装，制备出了孔隙率高达99.3%，密度低至0.015g/cm^-1的多层石墨烯泡沫。该石墨烯泡沫的电导率为8.7S/cm^-1，11kPa的储存模量以及0.06的阻尼容量，展现出优异的物理性能。

【图文导读】

图1 制备方法示意图及照片

a, 原位3D打印石墨烯泡沫步骤示意图；

b, 石墨烯泡沫去除Ni前后的照片对比。

图2 氢气环境下Ni骨架石墨烯泡沫不同条件下SEM图像

Ni骨架石墨烯泡沫在氢气环境，激光占空比100%的条件下，(a, b), (c, d), (e, f), (g, h)分别为光栅速度为5S, 3S, 2S, 1S下的SEM图像。

图3 石墨烯泡沫拉曼表征

a, 5S光栅速度下，10-100%的激光占空比条件下石墨烯泡沫拉曼表征；

b, 氢气环境，100%激光占空比下，1-5S光栅速度条件下石墨烯泡沫拉曼表征。

图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图像；

d-f，除去Ni后的石墨烯泡沫TEM图像，d中插图为SAED图案。

图5 除去Ni后的石墨烯泡沫结构表征

a, 拉曼表征；

b, XPS表征，插图为C1s高分辨谱；

c, XRD表征；

d, TGA曲线。

图6 电学性能测试

a, 电学性能测试方法示意图；

b, 半对数标度下的C-V曲线；

c, 去除Ni后的石墨烯泡沫C-V曲线。

图7 石墨烯泡沫动态力学分析

a, 储存模量和损耗模量；

b, 室温，1Hz条件下的阻尼容量。

【小结】

研究着利用3D打印技术，以Ni为模板和催化剂，固态碳作为碳源，层层组装制备出了孔隙率高达99.3%，密度低至0.015g/cm^-1，电导率为8.7S/cm^-1，11kPa的储存模量以及0.06的阻尼容量的高质量石墨烯泡沫。用此方法制备出的石墨烯泡沫在储能材料、阻尼材料、吸声材料等诸多领域有着广泛的应用前景。

文献链接：Three-Dimensional Printed Graphene Foams（ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.7b01987）

本文由材料人编辑部张涛麟编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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