近日，萊斯大學(xué)和中國(guó)天津大學(xué)的納米技術(shù)人員正在使用激光3D打印來(lái)制造厘米級(jí)的原子薄的石墨烯物體。該研究可以幫助創(chuàng)造工業(yè)量的石墨烯。

    “鋼筋”石墨烯泡沫可以承載自身重量3000倍的負(fù)載

    近日，《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）在線(xiàn)發(fā)表萊斯大學(xué)和中國(guó)天津大學(xué)的納米技術(shù)人員正在使用激光3D打印出厘米級(jí)的原子薄的石墨烯物體的實(shí)驗(yàn)成果。該論文題為“Three-Dimensional Printed Graphene Foams”。

    石墨烯是十年來(lái)研究最多的納米材料之一，這是因?yàn)槠渥鳛橐环N二維的純碳薄片，不僅具有很強(qiáng)的強(qiáng)度，而且具有導(dǎo)電性，可用于從納米電子學(xué)到骨植入物的廣泛應(yīng)用。 但是大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用將需要大量的三維形式的石墨烯，科學(xué)家們一直在努力尋找簡(jiǎn)單的方法來(lái)創(chuàng)建大量的三維石墨烯。

    Tour實(shí)驗(yàn)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(zhì)的干燥顆粒在螺絲釘形狀的鋼模中壓制，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法將糖中的碳轉(zhuǎn)化為石墨烯。除去殘留的少量鎳，最終的結(jié)果是純碳螺絲釘形狀的石墨烯泡沫。這種石墨烯泡沫被稱(chēng)為“鋼筋石墨烯，”可以保持其形狀，同時(shí)支持自己的重量的3000倍。但制作鋼筋石墨烯并不是簡(jiǎn)單的任務(wù)，它需要一個(gè)預(yù)制的3-D模具，1000攝氏度的化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝和近3個(gè)小時(shí)的加熱和冷卻。

    中國(guó)天津大學(xué)和萊斯大學(xué)的納米技術(shù)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)在最近在一項(xiàng)研究項(xiàng)目中使用激光3D打印制造了厘米級(jí)的原子薄的石墨烯物體，這項(xiàng)研究項(xiàng)目有可能導(dǎo)致從非石墨烯原材料簡(jiǎn)單地制造大量石墨烯。

    對(duì)于研究項(xiàng)目，萊斯大學(xué)的James Tour實(shí)驗(yàn)室與天津大學(xué)的趙乃勤實(shí)驗(yàn)室合作，適應(yīng)了普通的3D打印技術(shù)。使用在室溫下進(jìn)行的技術(shù)來(lái)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(xué)的訪(fǎng)問(wèn)研究生，中國(guó)天津大學(xué)的博士后研究員、共同作者Junwei Sha說(shuō)：“這種簡(jiǎn)單有效的方法不需要冷壓模具和高溫CVD處理。”“我們應(yīng)該能夠使用這種方法來(lái)生產(chǎn)特定類(lèi)型的石墨烯泡沫，如3D打印鋼筋石墨烯，以及通過(guò)改變前體粉末來(lái)制備氮和硫摻雜的石墨烯泡沫。”Junwei Sha補(bǔ)充說(shuō)。

    研究人員使用二氧化碳激光器來(lái)生產(chǎn)石墨烯塊，這是激光燒結(jié)3D打印機(jī)所使用的一種。當(dāng)激光照射到糖和鎳粉末上時(shí)，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(chǎn)時(shí)間和激光功率，激光照射過(guò)程一再反復(fù)重復(fù)。研究人員已經(jīng)確定了參數(shù)的有效組合，認(rèn)為他們的技術(shù)可以在不同領(lǐng)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(yīng)用，包括能量?jī)?chǔ)存、阻尼和吸音的應(yīng)用，”Rice的研究生Yilun Li說(shuō)。Tour說(shuō)：“這項(xiàng)研究是全球首例。我們已經(jīng)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(yīng)用的石墨烯泡沫。”

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

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責(zé)任編輯：龐雪潔

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