近日，萊斯大學和中國天津大學的納米技術人員正在使用激光3D打印來制造厘米級的原子薄的石墨烯物體。該研究可以幫助創造工業量的石墨烯。

    “鋼筋”石墨烯泡沫可以承載自身重量3000倍的負載

    近日，《美國化學學會納米》（ACS Nano）在線發表萊斯大學和中國天津大學的納米技術人員正在使用激光3D打印出厘米級的原子薄的石墨烯物體的實驗成果。該論文題為“Three-Dimensional Printed Graphene Foams”。

    石墨烯是十年來研究最多的納米材料之一，這是因為其作為一種二維的純碳薄片，不僅具有很強的強度，而且具有導電性，可用于從納米電子學到骨植入物的廣泛應用。 但是大多數工業應用將需要大量的三維形式的石墨烯，科學家們一直在努力尋找簡單的方法來創建大量的三維石墨烯。

    Tour實驗室的研究人員在之前的研究中，曾將納米管與粉末狀鎳催化劑和糖混合以獲取碳。然后將該物質的干燥顆粒在螺絲釘形狀的鋼模中壓制，通過化學氣相沉積法將糖中的碳轉化為石墨烯。除去殘留的少量鎳，最終的結果是純碳螺絲釘形狀的石墨烯泡沫。這種石墨烯泡沫被稱為“鋼筋石墨烯，”可以保持其形狀，同時支持自己的重量的3000倍。但制作鋼筋石墨烯并不是簡單的任務，它需要一個預制的3-D模具，1000攝氏度的化學氣相沉積（CVD）工藝和近3個小時的加熱和冷卻。

    中國天津大學和萊斯大學的納米技術專家團隊在最近在一項研究項目中使用激光3D打印制造了厘米級的原子薄的石墨烯物體，這項研究項目有可能導致從非石墨烯原材料簡單地制造大量石墨烯。

    對于研究項目，萊斯大學的James Tour實驗室與天津大學的趙乃勤實驗室合作，適應了普通的3D打印技術。使用在室溫下進行的技術來制造石墨烯泡沫的指尖塊。不需要模具，原材料僅由糖粉和鎳粉組成。

    萊斯大學的訪問研究生，中國天津大學的博士后研究員、共同作者Junwei Sha說：“這種簡單有效的方法不需要冷壓模具和高溫CVD處理。”“我們應該能夠使用這種方法來生產特定類型的石墨烯泡沫，如3D打印鋼筋石墨烯，以及通過改變前體粉末來制備氮和硫摻雜的石墨烯泡沫。”Junwei Sha補充說。

    研究人員使用二氧化碳激光器來生產石墨烯塊，這是激光燒結3D打印機所使用的一種。當激光照射到糖和鎳粉末上時，糖被熔化，鎳作為催化劑。隨著混合物冷卻，形成具有大孔隙的低密度石墨烯（這些毛孔占材料體積的99％）。

    隨后，研究人員試圖找到最大限度的石墨烯生產時間和激光功率，激光照射過程一再反復重復。研究人員已經確定了參數的有效組合，認為他們的技術可以在不同領域有很多用途。“使用我們的方法制作的3D石墨烯泡沫顯示了需要快速成型和制造3D碳材料的應用，包括能量儲存、阻尼和吸音的應用，”Rice的研究生Yilun Li說。Tour說：“這項研究是全球首例。我們已經展示了如何從非石墨烯原材料制造3D石墨烯泡沫，并且該方法適用于縮放成具有孔徑控制的3D打印應用的石墨烯泡沫。”

    相關論文全文發表在 ACS Nano, Article ASAP（DOI: 10.1021/acsnano.7b01987）上。

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責任編輯：龐雪潔

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