近日，莱斯大学和中国天津大学的纳米技术人员正在使用激光3D打印来制造厘米级的原子薄的石墨烯物体。该研究可以帮助创造工业量的石墨烯。

  “钢筋”石墨烯泡沫可以承载自身重量3000倍的负载

  近日，《美国化学学会纳米》（ACS Nano）在线发表莱斯大学和中国天津大学的纳米技术人员正在使用激光3D打印出厘米级的原子薄的石墨烯物体的实验成果。该论文题为“Three-Dimensional Printed Graphene Foams”。

  石墨烯是十年来研究最多的纳米材料之一，这是因为其作为一种二维的纯碳薄片，不仅具有很强的强度，而且具有导电性，可用于从纳米电子学到骨植入物的广泛应用。 但是大多数工业应用将需要大量的三维形式的石墨烯，科学家们一直在努力寻找简单的方法来创建大量的三维石墨烯。

  Tour实验室的研究人员在之前的研究中，曾将纳米管与粉末状镍催化剂和糖混合以获取碳。然后将该物质的干燥颗粒在螺丝钉形状的钢模中压制，通过化学气相沉积法将糖中的碳转化为石墨烯。除去残留的少量镍，最终的结果是纯碳螺丝钉形状的石墨烯泡沫。这种石墨烯泡沫被称为“钢筋石墨烯，”可以保持其形状，同时支持自己的重量的3000倍。但制作钢筋石墨烯并不是简单的任务，它需要一个预制的3-D模具，1000摄氏度的化学气相沉积（CVD）工艺和近3个小时的加热和冷却。

  中国天津大学和莱斯大学的纳米技术专家团队在最近在一项研究项目中使用激光3D打印制造了厘米级的原子薄的石墨烯物体，这项研究项目有可能导致从非石墨烯原材料简单地制造大量石墨烯。

  对于研究项目，莱斯大学的James Tour实验室与天津大学的赵乃勤实验室合作，适应了普通的3D打印技术。使用在室温下进行的技术来制造石墨烯泡沫的指尖块。不需要模具，原材料仅由糖粉和镍粉组成。

  莱斯大学的访问研究生，中国天津大学的博士后研究员、共同作者Junwei Sha说：“这种简单有效的方法不需要冷压模具和高温CVD处理。”“我们应该能够使用这种方法来生产特定类型的石墨烯泡沫，如3D打印钢筋石墨烯，以及通过改变前体粉末来制备氮和硫掺杂的石墨烯泡沫。”Junwei Sha补充说。

  研究人员使用二氧化碳激光器来生产石墨烯块，这是激光烧结3D打印机所使用的一种。当激光照射到糖和镍粉末上时，糖被熔化，镍作为催化剂。随着混合物冷却，形成具有大孔隙的低密度石墨烯（这些毛孔占材料体积的99％）。

  随后，研究人员试图找到最大限度的石墨烯生产时间和激光功率，激光照射过程一再反复重复。研究人员已经确定了参数的有效组合，认为他们的技术可以在不同领域有很多用途。“使用我们的方法制作的3D石墨烯泡沫显示了需要快速成型和制造3D碳材料的应用，包括能量储存、阻尼和吸音的应用，”Rice的研究生Yilun Li说。Tour说：“这项研究是全球首例。我们已经展示了如何从非石墨烯原材料制造3D石墨烯泡沫，并且该方法适用于缩放成具有孔径控制的3D打印应用的石墨烯泡沫。”

  相关论文全文发表在 ACS Nano, Article ASAP（DOI: 10.1021/acsnano.7b01987）上。

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