莱斯大学制造出导电三维石墨烯,会为柔性电子器件带来新可能
2018-06-19 10:58:28   来源:

莱斯大学的科学家们采用激光诱导石墨烯分层,并建立了一个原型,得到三维石墨烯塑造成的复杂形状。这种泡沫为储能和灵活柔软的电子传感器应用提供了新的可能性。来源:莱斯大学/Tour Group

莱斯大学的科学家们已经开发出一种简单的方法来产生导电的三维材料,这种材料就是石墨烯泡沫。

石墨烯泡沫粘糊糊的固体的外观感觉像一个孩子的玩具,但它为能量存储和灵活的电子传感器应用提供了新的可能性,莱斯大学化学家James Tour这么描述。

先进材料中所详述的技术是Tour实验室开创性工作的延伸,该实验室在2014年通过用激光加热廉价的聚酰亚胺塑料片,第一次制造了激光诱导石墨烯(LIG)。激光在塑料中烧灼,并将顶部转变成二维碳相互连接的薄片,它们仍然附着在下半部分材料上。LIG可以在室温下以宏观模式进行。

他们实验室将这种技术扩展到木材、甚至食物上,但迄今为止,纯石墨烯的3D对象并不实用。“现在我们已经建立了一个原型机器,通过自动连续分层和激光曝光,将石墨烯泡沫制成3D物体。”在没有熔炉和催化剂的情况下,我们确实使石墨烯进入了第三维度,并且我们的过程很容易规模化生产。

莱斯大学的科学家们正在通过一个自动化的过程,来制造三维激光诱导石墨烯(LIG)泡沫,这一过程始于将聚酰亚胺(PI)片的顶层转变成石墨烯(TOP),在顶部(中心)以乙二醇(EG)为粘结剂堆叠另一层,然后燃烧顶层。π也进入石墨烯(底部)。在必要时重复这个过程以建立三维块。来源:莱斯大学/Tour Group

新的方法基于层叠对象制造,其中材料层被组装,然后切割成特定形状。在这种情况下,底部LIG层仍然附着在聚酰亚胺基底上。第二层用乙二醇涂敷,并在第一层上放置,就像果冻三明治一样。然后将聚酰亚胺顶部烧成石墨烯,重复该过程,直到三维块完成。

乙二醇粘结剂在热板上蒸发掉,所有剩余的聚酰亚胺都可以在炉子中除去。这是一个原始的海绵状碳块,论文的联合首席作者Rice研究生DuyXuanLuong说。Rice实验室堆叠到五层泡沫,然后在定制的3D打印机上,使用定制的光纤激射系统将三维块磨成复杂的形状。

实验室采用组装锂离子电容器的概念,使用3-D LIG作为阳极和阴极。阳极的容量达到了354毫安/每克,接近石墨的理论极限,而阴极的容量超过其他碳材料的平均容量。在970次充放电循环后,测试电池保留了约70%的容量。

莱斯大学研究生DuyXuanLuong悬挂了一个三维激光诱导石墨烯块。该实验室使用工业激光器在室温下将廉价的聚酰亚胺塑料转化为石墨烯泡沫,然后将这些薄片结合在一起产生轻质、导电的三维石墨烯。来源:莱斯大学

“这是新一代性能优良的锂离子电容器,它得到了锂离子电池和电容器混合体的最佳性能。”

然后,研究人员通过20至30纳米的孔,将液体聚二甲基硅氧烷注入了一块3-D LIG材料。这创造了一个更强大,仍然灵活的导电材料,而且这也不改变原来泡沫的形状。依靠这种材料,他们制作了一个灵活柔软的传感器,传感器准确地记录了志愿者手腕上的脉搏,他们会进一步校准该装置以便获取血压数据。

化学慧定制合成事业部摘录

化学慧纳米材料系列产品