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碳元素是自然界中存在的與人類最密切相關(guān)、最重要的元素之一，它具有SP、SP2、SP3雜化的多樣電子軌道特性，以碳元素為唯一構(gòu)成元素的碳素材料具有各式各樣的性質(zhì)，科研人員不斷發(fā)現(xiàn)新碳素材料。其中，碳納米技術(shù)的研究相當(dāng)活躍。

三維石墨烯碳材料是由二維石墨烯在宏觀尺度上構(gòu)成的新型碳納米材料，在能量儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化、催化、吸附分離等領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。迄今為止涌現(xiàn)了大量三維碳材料的制備方法，可被歸類為固態(tài)路線(以氧化石墨烯、天然和合成聚合物等為前驅(qū)體)和氣態(tài)路線(氣體碳源的化學(xué)沉積)。其中，固態(tài)路線往往缺乏對產(chǎn)物成分和結(jié)構(gòu)靈活調(diào)控的能力，而氣態(tài)路線極度依賴催化模板且效率低。液態(tài)是介于固、氣之間的一種特殊狀態(tài)，兼具固態(tài)的分子堆積密度以及氣體的流動(dòng)與兼容性。對液態(tài)路線的開發(fā)探索被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)三維石墨烯材料結(jié)構(gòu)與性能高效可控制備的關(guān)鍵。長期以來，科研人員在建立一條液態(tài)的三維石墨烯材料合成路線方面付出了努力與嘗試，但未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所新型熱固性樹脂團(tuán)隊(duì)研究員劉小青通過對碳前體的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用激光刻蝕，實(shí)現(xiàn)了從液態(tài)前驅(qū)體直接轉(zhuǎn)化為三維石墨烯材料。這條全新的制備路線集成了激光制造與液態(tài)前驅(qū)體兩者的優(yōu)勢。幾乎所有目前廣泛應(yīng)用的石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)均可以通過這條液態(tài)路線直接一步制備，包括粉末、多孔膜、功能涂層、柔性Janus結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)定制化的宏觀三維石墨烯材料，展現(xiàn)了研究價(jià)值與應(yīng)用前景。 此外，制備得到的三維石墨烯材料的功能組分也具有高度的可控性。

該工作提出了全新的3D打印原理，即通過對液態(tài)前驅(qū)體的逐層轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)對石墨烯材料三維結(jié)構(gòu)的定制化構(gòu)造，對于當(dāng)前有限的碳材料3D打印技術(shù)做出了重要擴(kuò)充。由于不熔不溶不聚合，開發(fā)適用于碳材料的3D打印技術(shù)長期以來被視為是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。而與現(xiàn)有的打印策略相比，除了在原理上具有本質(zhì)的不同之外，這種通過面單元原位生長的打印方式的優(yōu)勢在于打印過程簡單高效以及打印得到的產(chǎn)品具有高結(jié)構(gòu)連續(xù)性。SLT打印過程避免了傳統(tǒng)的高耗能高污染的氧化石墨烯的制備，且得到的打印產(chǎn)物無需額外的高溫退火還原過程。打印產(chǎn)物的電導(dǎo)率和強(qiáng)度分別達(dá)4380 S/m和4.4 Mpa，優(yōu)于傳統(tǒng)的3D打印石墨烯材料。

相關(guān)研究成果以Direct Conversion of Liquid Organic Precursor into 3D Laser-induced Graphene Materials為題，在線發(fā)表在Advanced Materials上。

資料來源： 寧波材料技術(shù)與工程研究所

關(guān)鍵詞： 工程研究所 還原過程 納米材料