兰州大学：3D打印多功能石墨烯智能结构材料研究新进展

近日,兰州大学土木工程与力学学院在3D打印多功能石墨烯智能结构材料研究中取得重要进展,相关研究成果发表在美国化学学会TOP期刊ACS Nano上。

近日,《ACS 纳米》(ACS Nano)在线发表了兰州大学土木工程与力学学院在3D打印多功能石墨烯智能结构材料研究中取得重要进展。该论文题为“Three-Dimensional Printing Hollow Polymer Template-Mediated Graphene Lattices with Tailorable Architectures and Multifunctional Properties”。

石墨烯(Graphene)独特的晶体结构赋予了其优异的力、电、光、热等性能。如何实现石墨烯材料的功能宏观体可控构筑,实现材料结构在多尺度上的可控设计和优化布局,对于推动石墨烯微纳尺度优异特性在宏观大尺度利用和多功能化发展具有重要的意义。

目前,已报道石墨烯宏观体制备方法有水热反应或超临界干燥技术等,受限于材料在成型过程中的反应成型容器的简单形态,所制备的材料存在结构形态可剪裁性差和力学性能调变性弱等挑战。

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3D打印石墨烯功能材料由于精确的多尺度结构剪裁和新颖的几何形态设计,较传统的碳纳米材料展现出更优的力、电、热学等性能调控特性,是目前石墨烯多功能材料研究重要的前沿领域之一。

兰州大学青年教师张强强与美国堪萨斯州立大学Dong Lin博士和纽约州立大学水牛城分析Chi Zhou博士展开合作,就石墨烯宏观构筑体多尺度成型的3D打印制备关键技术开展研究。

首先,采用立体光刻3D打印技术,在宏观大尺度设计和构建了具有一定几何结构形态的高分子支撑模板结构。然后,将具有良好的流动性的氧化石墨烯混合液注入高分子模板结构,经过改进的水热反应和冷冻干燥工艺,在微纳尺度上石墨烯的微观孔结构特征和空间取向得到有效控制。最后,经过热刻蚀处理去除高分子模板后,得到宏观上具有连续3D镂空特征、微观上具有有序排布类蜂窝多孔结构的三维石墨烯结构形式。基于3D打印模板辅助剪裁和微观自组装调控机制,实现石墨烯宏观体几何结构形态的多尺度可控制备。

该研究丰富了石墨烯材料可控制备手段,制备的石墨烯多功能体结构材料表现出良好的结构稳定性、高导电、低导热、大吸附容量、高焦耳热等特性,使其可广泛应用于环境除污、重油吸附、隔热材料、电极器件、超材料设计、智能传感器以及生物组织支架等领域。

石墨

该研究成果受到国家自然科学基金(51702142)、中央高校基本科研业务费重点项目(lzujbky-2017-k17)、西部灾害与环境力学教育部重点实验室开放基金、高等学校学科创新引智计划(111计划)资助(B14044)。

相关论文全文发表在 ACS Nano, Article ASAP(DOI: 10.1021/acsnano.7b06095)上。