研究人員開發(fā)出新穎的方法來(lái)生產(chǎn)3D打印氧化石墨烯

來(lái)源：3D打印網(wǎng)

西班牙艾克斯-馬賽大學(xué)陶瓷與玻璃研究所（ICV）和微電子與納米科學(xué)研究所的研究人員已使用3D打印的氧化石墨烯支架作為輕質(zhì)混合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，該結(jié)構(gòu)保留了許多石墨烯的理想特性，包括導(dǎo)電性和水吸附能力。

研究人員用醇鹽前體溶液滲透了氧化石墨烯支架，以生產(chǎn)雜化結(jié)構(gòu)，這些雜化結(jié)構(gòu)顯示出潛在的適用性，例如污染物去除，水過(guò)濾，催化，藥物輸送以及能量產(chǎn)生和存儲(chǔ)。

用于通過(guò)滲透3D rGO支架（a，b），用堿性蒸氣膠凝（c）和乙醇洗滌（d）來(lái)制造二氧化硅（或SiAl）/ rGO雜化物的合成過(guò)程示意圖。圖片來(lái)自《歐洲陶瓷學(xué)會(huì)雜志》。

3D打印石墨烯的局限性
石墨烯是一種碳的同素異形體，已成為與能源生產(chǎn)和微電子學(xué)相關(guān)的研究以及生物醫(yī)學(xué)和傳感等新技術(shù)的開發(fā)中的常見元素。對(duì)該材料的輕質(zhì)性能，高電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率以及機(jī)械強(qiáng)度非常期望。盡管許多石墨烯的潛力來(lái)自于以單層形式部署該材料，但利用石墨烯進(jìn)行3D打印仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

但是，弗吉尼亞理工大學(xué)和勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究人員在開發(fā)出一種高分辨率3D打印方法（涉及將石墨烯分散在凝膠中以制成3D可印刷樹脂）之后，采取了進(jìn)一步措施來(lái)利用石墨烯的潛力。 LLNL還與加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校的團(tuán)隊(duì)合作，研究了用于儲(chǔ)能設(shè)備中基于石墨烯的氣凝膠電極的3D打印技術(shù)。

石墨烯還被用于創(chuàng)建3D打印的自感應(yīng)裝甲和交通網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代化。在其他地方，新研究揭示了與石墨烯表面接觸時(shí)水的結(jié)構(gòu)如何變化。

最近，諾丁漢大學(xué)增材制造中心的研究人員在使用石墨烯的電子設(shè)備進(jìn)行3D打印方面取得了突破，開發(fā)了基于噴墨的3D打印技術(shù)，該技術(shù)可以為取代單層石墨烯作為接觸材料鋪平道路。 2D金屬半導(dǎo)體。

Virginia Tech / LLNL研究中制造的格子“桁架”和回旋3D打印石墨烯。圖片來(lái)自Material Horizons

創(chuàng)建氧化石墨烯-二氧化硅結(jié)構(gòu)
氧化石墨烯被認(rèn)為是生產(chǎn)具有高孔隙率，導(dǎo)電性，柔性和大表面積的3D連接的輕量結(jié)構(gòu)的可行構(gòu)建基塊�？茖W(xué)家旨在通過(guò)將其他材料錨固到3D石墨烯結(jié)構(gòu)上以形成混合材料或復(fù)合材料，來(lái)解決氧化石墨烯的一些缺點(diǎn)，例如其機(jī)械性弱點(diǎn)和易受火焰?zhèn)�害的缺點(diǎn)。

首先，研究人員使用由氧化石墨烯納米片制備的水性油墨，3-D Inks LLC的三軸機(jī)器人自動(dòng)鑄造系統(tǒng)和RoboCAD軟件對(duì)3D打印的氧化石墨烯支架進(jìn)行了3D打印。通過(guò)直徑為410μm的針將支架打印到由16層均勻分布的桿組成的長(zhǎng)方體中，這些桿相對(duì)于相鄰層成直角放置。

然后將結(jié)構(gòu)放入液氮中冷凍10秒鐘，然后將其冷凍干燥（冷凍干燥）并在石墨爐中以1200攝氏度進(jìn)行處理以增強(qiáng)氧化石墨烯的還原作用，從而將其冷凍。此時(shí)，3D打印的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)的尺寸為12x12x5mm。

下一步涉及通過(guò)研究人員所說(shuō)的溶膠-凝膠途徑滲透氧化石墨烯支架，其中涉及低溫凝膠與氨蒸氣的交聯(lián)。

制備了包含原硅酸四乙酯，乙醇，去離子水和鹽酸的兩種溶液，分別稱為SiO2溶膠（二氧化硅）和SiAl溶膠（二氧化硅-氧化鋁）。將氧化石墨烯支架在不透氣的容器中半浸入每種溶膠中五分鐘，然后將其放置在剛好位于液面上方的靜止平臺(tái)上。將樣品在室溫下放置24小時(shí)，以通過(guò)氨催化引起浸漬結(jié)構(gòu)的延長(zhǎng)縮合和剛度。然后，用乙醇洗滌支架以除去任何蒸氣殘余物。

比較不同材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。 （a）原始的氧化石墨烯支架，（b-e）氧化石墨烯-二氧化硅結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)自《歐洲陶瓷學(xué)會(huì)雜志》。結(jié)果和潛在應(yīng)用 研究人員發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)處理的氧化石墨烯支架相比，3D打印的氧化石墨烯-二氧化硅結(jié)構(gòu)保持高度多孔性，而其抗壓強(qiáng)度提高了250-800％�；旌辖Y(jié)構(gòu)也保持“顯著的電導(dǎo)率”，但是主要的增強(qiáng)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的親水性上。觀察到腳手架的超細(xì)二氧化硅基覆蓋物對(duì)結(jié)構(gòu)的潤(rùn)濕特性有重要影響。與未經(jīng)處理的氧化石墨烯支架相比，該結(jié)構(gòu)變得完全親水，而其吸水能力提高了十倍。氧化石墨烯-二氧化硅結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)性能表明它們可以適合用作吸收劑，污染物去除，氣體感應(yīng)，蓄熱或在光催化水分解應(yīng)用中使用。