西工大黄维院士、官操教授 AFM：数字化制备三维高损伤容限的柔性石墨烯泡沫

2023-02-24 来源：高分子科技

大规模制备可自由成型的高性能三维石墨烯泡沫是一个亟待解决的重要问题。在众多策略中，模板辅助的化学气相沉积法是一种很好的选择，制备的三维石墨烯泡沫具有良好的导电性和令人满意的机械性能。由于该方法牺牲模板的形貌会很大程度决定三维石墨烯的形貌和性能，但是目前常用的模板主要是孔径大小200-500微米的商业金属泡沫，这导致石墨烯泡沫的交联点稀疏，机械强度、弹性性能无法满足要求而且模板的几何形状大小和尺寸都无法进行自由设计，限制了其的实际应用。因此，大规模制备定制化高性能石墨烯泡沫就变得越来越紧迫。最近，西北工业大学黄维院士和官操教授等人提出了一种普适的方法，利用3D打印可循环金属盐模板用于制备具有分层结构共价交联的中空氮掺杂石墨烯（NG）泡沫。各种金属盐在课题组前期工作中被证明可用于高精度3D打印（Highly Efficient All-3D-Printed Electrolyzer toward Ultrastable Water Electrolysis. Nano Letters. 2023, 23, 629-636.; Stereolithography of 3D Sustainable Metal Electrodes towards High-Performance Nickel Iron Battery. Advanced Functional Material. 2022, 32 2205317.; Incorporating Metal Precursors towards a Library of High-resolution Metal Parts by Stereolithography. Applied Materials Today. 2022, 29, 101553.），进而得到相应的金属模板，用于NG泡沫的制备。同时通过温和的酸刻蚀，金属盐又可以回收循环使用。该策略得到的NG泡沫是通过相互交联的石墨烯片网络组成，具有极低的密度，优异的机械性能和抗疲劳特性，良好的导电性，和宽的可逆弹性温度范围。并进一步验证其结构设计自由度高（可拉可压可弯的负泊松/极小曲面复合结构）、大规模制备的能力和广阔的应用前景（高能量\功率密度的电化学储能器件和灵敏的压力传感器）(3D Printed Graphene-Based Metamaterials: Guesting Multi-Functionality in One Gain. Small 2023, 2207833. )。

该研究工作以“Digitization of Free-Shapable Graphene Foam with Damage Tolerance”为题，发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上，通讯作者为黄维院士和官操教授，第一作者为徐茜副教授和杜俊杰博士。

研究亮点：

?本文结合数字光处理技术和化学气相沉积制备出具有分层孔隙的共价连接的中空三维NG泡沫。
?金属盐模板的可回收循环利用和金属盐选择的普适性。
?三维NG泡沫表现出高弹性（62500倍自重负载下完全恢复，优异的抗疲劳性（5000次循环），良好的导电性（5 S cm^-1），宽的可逆弹性温度范围（-196-300 ℃），原位电子显微镜和有限元分析进一步验证了其分层结构设计赋予其优异的机械性能。
?为了验证其结构设计自由度高和大规模制备的能力，这种技术可以实现复杂结构三维石墨烯泡沫的大尺寸制备和可拉可压可弯的负泊松/极小曲面复合结构的石墨烯泡沫制备。
?为了验证其广阔的应用前景，三维NG泡沫还可以用于制备高能量\功率密度的电化学储能器件和灵敏的压力传感器。

图1. 三维金属模板和三维NG泡沫制备示意图和表征。I-II) 制备工艺示意图。a1) 三维镍盐模板，a2) 三维镍模板和a3) 相应NG泡沫的照片。a4) 三维NG泡沫的SEM图像。a5) NG泡沫的HRTEM图像。

图2. 三维弹性的多孔NG泡沫的演示。a-c) Gyroidal-Mesh (GM) 三维泡沫的照片（尺寸：35 × 19 × 6 mm³），宏观结构：网格，微观结构：Gyroid。d) GM泡沫可压缩的数字图像。e-g) 带有Gyroid-负泊松结构的泡沫 (GN泡沫) 的照片。宏观结构：负泊松比，微观结构：Gyroid。h-k) GN泡沫的压缩试验、拉伸试验和弯曲试验的图像和原理图。

图3. 三维NG泡沫的力学性能和压敏特性。a)当压缩应变为60%时，杨氏模量、能量损失系数和应力的循环曲线。b)杨氏模量和密度，c)能量损失系数和压缩应变，d)电导率和密度与现有的石墨烯基超弹性材料的比较。e)不同压缩应力下NG泡沫传感器的相对电流变化。f)在最大压力为0.1 kPa时，NG泡沫传感器在5000次压缩循环下的电流变化曲线。

图4. 三维NG泡沫的分级有限元模拟与力学性能。a-c) 3D NG泡沫和传统石墨烯泡沫在相同宏观应变下的微观应变分布图比较。d-g) 不同压缩程度的NG泡沫宏观结构的原位SEM图像。h-k) 不同压缩程度的NG泡沫微观结构的原位SEM图像。

图5. NG泡沫的应用及规模化生产。a) 大尺寸3D镍盐模板的照片（180 × 102 × 5 mm³）。 b) Gyroid结构的气体流场模拟。(c-d) 光学图像显示NG泡沫在液氮（-196℃）和管式炉（300℃）中的可逆弹性。e)在闭合电路中用NG泡沫作为导体时，压缩回弹过程中灯泡亮度的变化。f)压缩NG泡沫基电池作为电源时，灯泡亮度几乎不变。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202300904

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（责任编辑：xu）

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