ACS Nano: 3D打印石墨烯泡沫

原标题: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)

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