[发明专利]一种3D打印超多孔弹性石墨烯气凝胶的方法

说明书

本发明涉及一种3D打印超多孔弹性石墨烯气凝胶的方法，它包括以下步骤：(a)将氧化石墨烯、抗坏血酸和去离子水混合形成石墨烯水凝胶墨水；(b)加热得微孔石墨烯水凝胶墨水；(c)将所述微孔石墨烯水凝胶墨水转移至3D打印机中；(d)将所述3D氧化石墨烯水凝胶进行冷冻干燥，随后加热使氧化石墨烯和抗坏血酸反应，用去离子水中浸泡过夜去除可溶性杂质，再冷冻干燥得还原氧化石墨烯气凝胶；(e)将所述还原氧化石墨烯气凝胶在惰性气体条件下进行高温煅烧即可。这样能够获得具有较低密度的同时具有优秀的弹性、抗疲劳性能和抗压性的3D打印石墨烯气凝胶。

技术领域

本发明属于石墨烯气凝胶领域，涉及一种超多孔弹性石墨烯气凝胶的制备方法，具体涉及一种3D打印超多孔弹性石墨烯气凝胶的方法。

背景技术

石墨烯是一种超薄二维(2D)碳材料，拥有很高的比表面积、优异的弹性、良好的化学稳定性以及优良的导电、导热性能。上述优良的物理化学性能使石墨烯在纳米光电子器件、传感器、催化、复合材料、能源储存和生物医药支架等领域均有极为广泛的应用前景。大范围组装二维石墨烯纳米片，使其形成三维(3D)结构的同时保留其原有的物理化学性能是进一步扩展石墨烯材料在宏观尺度各种应用的先决条件。

基于化学合成的还原氧化石墨烯(RGO)气凝胶是一种最常见的三维石墨烯结构。使用氧化石墨烯前驱体制备3D多孔石墨烯网络结构主要通过水热还原、化学还原和直接交联等方法实现石墨烯片的自组装或凝胶化，气凝胶的成型受限于模板的形状，结构过于单一和简单。发展一种可控、易操作的方法制备结构可精确控制的3D石墨烯材料仍存在重大挑战。

近年来，一种叫做墨水直写成型(direct ink writing)的挤出式3D打印技术被用于构筑多孔弹性体结构等复杂结构。在室温条件下，利用三轴运动的机械臂配合微喷嘴持续挤出“墨水”丝，并按设计好的形状层层堆叠装配3D结构。墨水直写成型技术需要具有剪切变稀和快速假塑性的粘弹性胶状墨水，在压力下呈现流动性，撤掉压力沉积后迅速膨胀恢复并保留预先设计的形状。研究表明，氧化石墨烯水溶液在高浓度时，由于氧化石墨烯二维纳米片的紧密堆积和良好的保水性，会呈现出非常好的剪切变稀性质、快速假塑性和粘弹性，非常适用于墨水直写成型技术。但是，使用氧化石墨烯墨水打印的3D石墨烯材料在微观上处于石墨烯二维纳米片紧密堆积的状态，抑制了石墨烯二维纳米片内在优异的物理化学性能。为了解决这一致命的问题，开发一种使用墨水直写成型3D打印技术构建的3D石墨烯材料在微观上具备多孔结构的方法显得极为重要。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种3D打印超多孔弹性石墨烯气凝胶的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种3D打印超多孔弹性石墨烯气凝胶的方法，它包括以下步骤：

(a)将氧化石墨烯、抗坏血酸和去离子水混合形成石墨烯水凝胶墨水，所述氧化石墨烯和所述抗坏血酸的质量比1：1～10；

(b)将所述石墨烯水凝胶墨水至于40～80℃加热1～3小时得微孔石墨烯水凝胶墨水；

(c)将所述微孔石墨烯水凝胶墨水转移至3D打印机中，设定3D打印机参数后以玻璃片为基底进行3D打印得3D氧化石墨烯水凝胶；

(d)将所述3D氧化石墨烯水凝胶进行冷冻干燥，随后加热使氧化石墨烯和抗坏血酸反应，在去离子水中浸泡过夜去除可溶性杂质，再冷冻干燥得还原氧化石墨烯气凝胶；

(e)将所述还原氧化石墨烯气凝胶在惰性气体条件下进行高温煅烧即可。

优化地，步骤(c)中，将所述微孔石墨烯水凝胶墨水转移3D打印机的针筒中，配以直径为100～500μm的打印针头，通过机械臂带动所述打印针头移动。

优化地，步骤(d)中，所述高温煅烧是在管式炉内以5～20℃/min的升温速度升温至900～1200℃煅烧。