卡尔加里大学《JMCA》：无添加剂石墨烯油墨，用于3D打印功能性导电气凝胶

成果简介

本文， 卡尔加里大学Uttandaraman Sundararaj等研究人员在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“Additive-free graphene-based inks for 3D printing functional conductive aerogels”的论文， 研究展示了一种全石墨烯、无添加剂、水基墨水，用于直接墨水书写（DIW），以三维打印功能性气凝胶，可应用于电子和电磁干扰（EMI）屏蔽。采用了一种两步电化学方法，其中特别设计的插层步骤可控制石墨烯纳米片的表面功能。全面的表征揭示了石墨烯纳米片的物理化学特性对均匀性、流变性、导电性和 EMI 屏蔽效果 (SE) 的重要影响。

一个重要的观察结果是，仅凭流变性不足以预测二维微粒系统的可印刷性，而由片间相互作用决定的油墨均匀性起着至关重要的作用。通过重点优化插层条件，我们发现磷酸处理在提高印刷适性和导电性方面最为有效，在不需要任何后处理的情况下，导电性达到 158 S cm-1，EMI SE 为 50 dB（厚度为 50 μm）。利用不同的磷酸插层持续时间进行的系统实验表明，10 分钟的处理可产生具有卓越 3D 打印保真度的墨水。这种石墨烯墨水生产的创新方法可实现轻质多孔材料的快速、连续和大规模生产，避免了对环境有害的还原剂化学成分或高温处理。此外，取消制造过程中的还原步骤符合工业对节能生产工艺和高产出率的要求，标志着材料科学领域的重大进步，为石墨烯基墨水在先进制造技术中的应用提供了广阔前景。

图文导读

图1. 石墨烯的电化学 （EC） 合成：用于生产石墨烯纳米片的两步 EC 合成方法的示意图。

图2 .（a） XRD 光谱，（b） TGA 曲线，（c） 拉曼光谱，以及 （d） 石墨和 El 的 FTIR 光谱、P-2 min、N-2 min 和 S-2 min 样品。（E 和 F）对从 XPS 调查中获得的 ECG 进行元素分析。

图3. 合成石墨烯的C1s、O1s、N1s、S2p 和 P2p的高分辨率。

图4. 油墨在 22 °C 下3wt%的流变特性。

图5. （a-c） 使用 P-20 s、P-2 min 和 P-10 min 墨水的 3D 打印结构;（d） P-20 s 墨水的液滴形成;（e） P-2 min 墨水的细丝形成。3D 打印晶格的数字图像 （f 和 g）;（h–j） 干燥打印结构后点亮 LED，不减少 P-10 分钟墨水;（k） 真空过滤油墨的电导率和 EMI SE。（左-O）P-10 分钟墨水冻干 3D 打印晶格的 SEM 显微照片。

小结

在这项研究中，我们采用了两步电化学合成法来开发石墨烯油墨，这种油墨不仅具有高度的可印刷性和导电性，而且是水基的，不含添加剂。这些油墨设计用于 3D 打印电子产品和 EMI 屏蔽。其中一个关键方面是微调插层条件，以优化油墨的流变特性和分散性。要在可印刷性和所需的最终性能之间实现微妙的平衡，仔细调节是至关重要的，尤其要注重导电性。我们发现，用于插层的酸的类型和这一过程的持续时间对印刷保真度有很大影响。值得注意的是，在磷酸中进行插层明显改善了油墨的可印刷性，使油墨能够被塑造成预先设计好的结构，具有卓越的导电性（158S cm-1）和高 EMI SE（50 微米厚度时为 50 dB）。这一工艺有效地消除了任何印刷后还原程序的需要。在磷酸插层油墨中，经过 10 分钟处理的油墨的印刷保真度最高。我们的两步合成法标志着这一领域的重大进步，有助于快速、连续、大规模地生产导电性环保油墨。这些油墨不含添加剂，不需要有害的还原剂化学成分或高温后处理。这一创新为先进的印刷电子技术领域开辟了新的道路，在环境影响和生产效率方面带来了巨大的好处。

文献：https://doi.org/10.1039/D4TA03082F