先進機能材料: 超軽量酸化グラフェンエアロゲルの 3D プリント

出典：科学研究相互援助チーム

背景グラフェンエアロゲル (GAM) は、低密度、高多孔性、制御可能な格子構造、良好な弾性、調整可能な導電性などの優れた特性により、多くの分野で大きな潜在的応用価値を持っています。これまで、3D プリント方式を使用した GAM の製造には、多量の添加剤や複雑な製造プロセスが必要であり、その広範な応用が制限されていました。

この記事で紹介した方法は、グラフェンを3次元印刷の印刷インクとして直接使用することができます。カルシウムイオンをゲル化剤として使用すると、水中に分散した酸化グラフェンゾルをゲルに変換し、室温で印刷することができます。 GAM は、制御可能な貫通孔構造と高い導電性を備えているため、スーパーキャパシタへの応用が期待されるだけでなく、組織工学における応用価値も秘めています。

まとめ
1. グラフェンは、極めて高い機械的強度、高い比表面積、優れた電気/熱伝導性を備えており、多くの分野で応用価値があります。 2次元構造のグラフェンは、さまざまな製造プロセスを経て3次元構造に加工できるため、断熱材、エネルギー貯蔵、スーパーキャパシタ、センサー、触媒などに使用できます。 3D プリントを使用して制御可能な幾何学的形態を持つ 3D 構造を生成することは、現在の研究のホットスポットの 1 つです。

2. 水中のグラフェン懸濁液の濃度が低い（通常 2% 未満）ため、貯蔵弾性率が低く、損失弾性率が高いため、純粋なグラフェンを GAM に印刷することは困難です。グラフェンのレオロジー特性を変えて印刷しやすくするために、一般的に使用される方法は主にグラフェンの濃度を高め、ポリマーや無機ナノ粒子を追加することですが、これらの方法は処理プロセスを複雑にし、特定の印刷環境要件が必要になる場合があります。

3. この論文では、純粋なグラフェンを印刷する方法を紹介します。この方法では、塩化カルシウムを架橋剤として使用し、溶液状態のグラフェンをゲルに架橋します。このゲルは、3次元印刷の印刷インクとして使用できます。この方法の利点は、他の材料を追加することなく室温で印刷できることです。

結果

図 1. 印刷されたインクのレオロジー挙動。 a) 酸化グラフェン純粋溶液とゲルインクのレオロジー特性。 b) せん断力と c) 角周波数の関数としての貯蔵弾性率と損失弾性率。 d) グラフェン酸化物分散液の貯蔵弾性率と降伏応力をCa2+イオンの関数として表した図。

図 2. 酸化グラフェンの 3D 印刷プロセスの概略図。酸化グラフェン溶液に塩化カルシウムを加えてゲルを形成し、これを印刷ノズルで押し出し、3次元構造の足場を凍結乾燥して固め、最後にヨウ化水素酸で処理して純粋なグラフェン材料の印刷された足場にします。

図 3. 印刷された酸化グラフェン足場の形態学的分析。 a) および b) 印刷されたブラケットの上面図と側面図。
c) および d) 凍結乾燥後のスキャフォールドの外観。
eh) 印刷されたスキャフォールドの SEM 画像。
i) さまざまな形状とサイズのブラケット。
j) 異なる印刷パターン。
k) グラフェン酸化物で印刷された浙江大学のバッジ。

図 4. 3D プリントされたグラフェンスキャフォールドの組成、化学構造、および機械的特性分析。 a) 印刷されたステントの元素スペクトル分析。埋め込まれた画像は、ヨウ化水素酸還元後の SEM 画像です。 b) 炭素と c) カルシウムのスペクトル元素表面スキャン分析。
d) 酸化グラフェンと酸化還元グラフェンのラマンスペクトル。
e) 印刷された酸化グラフェンの応力-ひずみ曲線。
f) 印刷された酸化グラフェン/カーボンナノチューブの応力-ひずみ曲線。

図5. 印刷されたグラフェン電極の電気化学的性能。 a) スキャン速度10～500 mV s−1のサイクリックボルタンメトリー曲線。
b) 静電気の充電および放電性能。
c) 異なる厚さの電極の定格性能。
d) 印刷されたグラフェン電極と他のグラフェンベースの電極の性能比較。
e) 異なる厚さの電極のサイクリックボルタンメトリー試験。
f) 異なる厚さの電極の電気化学インピーダンス分光法。
g) 50,000サイクル後の静電容量安定性。

概要<br /> この記事では、純粋なグラフェンエアロゲルを直接 3D 印刷するシンプルで効果的な方法を紹介します。Ca2+ を架橋剤として使用すると、グラフェンに適切なレオロジー特性を与えることができ、複雑な形状のエアロゲルを印刷して準備することができます。印刷されたグラフェン電極は、優れた電気化学的性能とサイクル安定性を備えています。さらに、本稿で紹介した調製方法は、エネルギー貯蔵、センサー、組織工学の足場など多くの分野への応用が期待される多機能グラフェンベースのエアロゲルの設計と製造のための一般的な戦略として使用できます。

参考文献:
Y Jiang、Z Xu、T Huang、他「超軽量グラフェン酸化物エアロゲルマイクロラティスの直接3Dプリント [J]」。Advanced Functional Materials、2018、28、1707024（IF=13.325）

出典：科学研究相互援助チーム

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