三維石墨烯超級電容器

美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的Marcus A. Worsley, Yat Li等人通過3D打印技術制備了三維石墨烯周期性復合氣凝膠微晶格( aerogel microlattices)超級電容器[6]。制備這些新型氣凝膠的關鍵是制備可擠出的石墨烯氧化物基復合油墨以及設計3D打印的工藝使其適應氣凝膠的加工工藝。

該課題組利用基于擠壓的三維印刷技術，直接油墨書寫( direct-ink writing，DIW)，以制造高度可壓縮石墨氣凝膠微格子。DIW技術采用一個三軸運動機構，在室溫下，通過擠壓的連續“墨水”長絲組裝三維結構。3D-GCAS的制造工藝方案如圖6所示。該復合油墨將GO懸浮液(40 mg·cm-3)，GNP和二氧化硅填料以及催化劑(R-F溶液與碳酸鈉)混合，形成均勻的高粘性油墨。然后，將復合油墨裝入注射器管，并通過微噴嘴擠出3D結構。最后，該打印結果可以通過凝膠化，超臨界干燥和碳化方法加工成氣凝膠，接著用氫氟酸二氧化硅蝕刻。

圖6. 制造過程的示意圖。SiO2粉末、GNP和RF溶液加入到的GO懸浮液，制備GO油墨。GO油墨通過一個微噴嘴在異辛烷浴中擠出，以防止在印刷期間的結構的收縮。印刷晶格在85℃下凝膠化過夜，然后用超臨界二氧化碳干燥。隨后，該結構被加熱到在氮氣氛中1050℃保持3小時。最后，該二氧化硅填料使用稀釋的氫氟酸水溶液(5重量%)蝕刻掉。比例尺為10mm。

3D打印石墨烯復合氣凝膠(3D-GCAS)電極重量輕，導電性高，且表現出優異的電化學性能。特別是，使用這些3D-GCA電極制備毫米級厚度的超級電容器表現出優異的穩定性(ca. 90% 從 0.5到 10 A·g-1)和功率密度(>4 kW·kg-1)。

總結

以上就3D打印制備多功能微納器件簡單的做了幾個舉例。3D打印多功能復雜結構在制造行業確實具有重要作用，例如用于MEMS，可拉伸/柔性微電子學，傳感器件，微天線和組織工程的部件。為了實現3D打印多功能納米復合材料的全部潛力，仍然需要在材料和技術兩個方面同時進步。首先是材料的設計，實現微納米器件功能性主要方法就在于如何去改性3D打印 “墨汁”，例如由于3D打印是一種層層堆積的制造技術，層與層之間的粘結緊密與否極大地影響了電極的機械性能，因此對于材料的研究十分重要。另外的一個研究方向就是對于3D打印工藝的研究，即通過控制成形參數控制微觀結構，以及如何設計硬件及軟件，實現更高分辨率的打印。

參考文獻：

[1] Bio-inspired detoxification using 3D-printed hydrogel nanocomposites. ( Nature communications, 2014, DOI: 10.1038/ncomms4774 )

[2] Design of a novel 3d printed bioactive nanocomposite scaffold for improved osteochondral regeneration. ( Cellular and Molecular Bioengineering, 2015, DOI: 10.1007/s12195-015-0389-4 )

[3] 3d‐printing of lightweight cellular composites. ( Advanced Materials, 2014, DOI: 10.1002/adma.201401804 )

[4] Solvent‐Cast Three‐Dimensional Printing of Multifunctional Microsystems. ( Small, 2013, DOI: 10.1002/smll.201300975 )

[5] Graphene Oxide‐Based Electrode Inks for 3D‐Printed Lithium‐Ion Batteries. ( Advanced Materials, 2016. DOI: 10.1002/adma.201505391 )

[6] Supercapacitors Based on Three-Dimensional Hierarchical Graphene Aerogels with Periodic Macropores. ( Nano letters, 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04965 )

(責任編輯：admin)

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