3D打印制備高性能石墨烯基能量轉(zhuǎn)儲(chǔ)材料

，浙江大學(xué)許震、高超教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)石墨烯基材料的3D打印及其在能量轉(zhuǎn)儲(chǔ)裝置中的應(yīng)用的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析和概況。重點(diǎn)介紹了制備可打印的石墨烯基墨水的基本性能要求和理論分析，以及現(xiàn)有文獻(xiàn)中可行的GO油墨制備策略；并就3D打印石墨烯材料的在能量轉(zhuǎn)儲(chǔ)領(lǐng)域的代表性應(yīng)用，如電池，超級(jí)電容器，太陽能蒸汽發(fā)電機(jī)，和對(duì)電熱轉(zhuǎn)換等進(jìn)行了評(píng)述（圖1）。該工作在SUSMAT上以題為“Three-dimensional printing of graphene-based materials for energy storage and conversion”在線發(fā)表（DOI：10.1002/sus2.27）。

圖1 3D打印制備石墨烯基能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換器件

文章要點(diǎn)

要點(diǎn)一：可打印墨水的性能特征

基于DIW的3D打印技術(shù)是利用數(shù)控程序控制噴頭在指定位置沉積具有特定流變行為的墨水材料來實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的精細(xì)加工的

，主要可分為3個(gè)步驟：(1)凝膠態(tài)的墨水材料在壓力驅(qū)動(dòng)下發(fā)生流動(dòng)并通過打印噴頭；(2)流動(dòng)態(tài)的墨水材料從噴出并在指定位置沉積；(3)沉積的油墨恢復(fù)凝膠態(tài)并維持特定的打印結(jié)構(gòu)。（圖2）為了實(shí)現(xiàn)DIW制備三維結(jié)構(gòu)，可打印墨水材料需要同時(shí)滿足上述各個(gè)步驟的要求。具體來說：墨水材料需要具有剪切變稀的流變行為，從而在噴頭內(nèi)的高剪切速率和高剪切力作用下連續(xù)穩(wěn)定地流動(dòng)，并在擠出噴頭以后的低剪切條件下迅速回復(fù)到凝膠狀態(tài)；此外，凝膠狀態(tài)下的墨水材料還需要具有一定的儲(chǔ)能模量，以抵抗重力和表面張力的作用，維持打印結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；同時(shí)，墨水材料要盡可能均勻以保障打印過程的穩(wěn)定性和所得材料性能的魯棒性。

圖2 可打印墨水的性能特征

要點(diǎn)二：石墨烯基墨水的制備策略

氧化石墨烯（GO）作為石墨烯基材料最常見的前驅(qū)體，可以分散在多種常見溶劑中形成穩(wěn)定的膠體分散液

。GO分散液是一種具有剪切變稀行為的非牛頓流體，同時(shí)其粘度、儲(chǔ)能模量、屈服應(yīng)力等多個(gè)流變學(xué)參數(shù)均可在很大范圍內(nèi)進(jìn)行靈活調(diào)控，是制備可打印墨水材料的最佳前驅(qū)體之一。但普通的GO分散液一般固含量較低，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能模量和屈服應(yīng)力很小，難以滿足直接打印成型的要求。因此