3D打印赋能三维石墨烯材料的创新应用

世界经济与材料发展背景

世界经济的快速发展驱动工业和生活向智能化、自动化转变，对电子产品和能源的需求快速增长。发展高性能材料对推动绿色可持续的能源存储与转化、新型电子器件以及环境治理技术的发展极为重要。碳材料是发展先进能源、环境和电子系统的关键材料之一。

二维石墨烯材料特性

二维石墨烯材料具有：大比表面积；超高的电子迁移率；优秀的导热性；出色的力学性能（杨氏模量为1100GPa，断裂强度为125GPa）；良好的化学稳定性

二维石墨烯片间的强π-π（原文“Tr－Tt”有误）相互作用和范德华力使其在加工成宏观三维材料时极易发生不可逆团聚，导致性能下降，难以将其优良性能从二维微纳尺度扩展到三维宏观尺度。

三维石墨烯材料优势

将二维石墨烯材料组装成具有三维空间网络结构可有效防止石墨烯的不可逆团聚，并在很大程度上保留石墨烯的优异特性。三维石墨烯材料具有：大的比表面积；灵活可控的表面化学性质；较好的机械性能；优异的导电性；连通的多孔结构

这些优异的特性使得三维石墨烯材料在以下领域具有优势：

• 能源相关领域：超级电容器、锂离子电池、燃料电池、电催化等，表现为高的活性材料负载能力；三维空间中快速的电子传输和离子扩散速度；为物质在表面的吸附和解吸提供足够的空间；出色的机械和电化学循环稳定性。
• 环境领域：空气、水体治理等。
• 电子器件领域：传感器、微纳电路等。

传统三维石墨烯材料的局限

传统的块体三维石墨烯材料无法实现从纳观到宏观多尺度的结构设计和成型，使其无法利用优异的结构特性进一步提升性能，而且限制了其在很多高性能器件中应用。

3D打印技术的优势

3D打印作为一种计算机辅助快速成型技术，可以通过图形软件进行宏观结构设计，并通过后处理和复合墨水开发等方式构建微纳结构。目前，已有研究表明，3D打印的三维石墨烯材料相比于传统块体石墨烯材料具有更快的电荷传输速率、更高的刚度和针对具体应用进行形状设计的能力，使其在锂离子电池、超级电容器和电催化等领域中的应用中具有更好的性能。

GO自组装方式及石墨烯气凝胶制备

驱动GO自组装的方式包括水热还原自组装、离子诱导自组装和直接化学还原自组装等。

• 在水热反应过程中，氧化石墨烯可以成功实现自组装，得到机械强度高、导电且稳定性好的石墨烯气凝胶。但是，水热法制备石墨烯气凝胶的过程需要在高压的条件下进行，这阻碍了石墨烯气凝胶的大规模制备。（不过）在大气压力下就可以实现石墨烯气凝胶的制备。
• 自组装的方法也可以实现石墨烯气凝胶复合材料的制备，将GO和乙酸铁分散液进行水热自组装，可以成功制备高表面积的Fe₃O₄／石墨烯气凝胶复合材料。

上一篇：3D打印石墨烯材料现存问题与制备意义
下一篇：SLM制备过程与缺陷检测研究