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碳元素是自然界中存在的與人類最密切相關(guān)、最重要的元素之一，它具有SP、SP2、SP3雜化的多樣電子軌道特性，以碳元素為唯一構(gòu)成元素的碳素材料具有各式各樣的性質(zhì)，科研人員不斷發(fā)現(xiàn)新碳素材料。其中，碳納米技術(shù)的研究相當(dāng)活躍。

三維石墨烯碳材料是由二維石墨烯在宏觀尺度上構(gòu)成的新型碳納米材料，在能量儲存與轉(zhuǎn)化、催化、吸附分離等領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。迄今為止涌現(xiàn)了大量三維碳材料的制備方法，可被歸類為固態(tài)路線(以氧化石墨烯、天然和合成聚合物等為前驅(qū)體)和氣態(tài)路線(氣體碳源的化學(xué)沉積)。其中，固態(tài)路線往往缺乏對產(chǎn)物成分和結(jié)構(gòu)靈活調(diào)控的能力，而氣態(tài)路線極度依賴催化模板且效率低。液態(tài)是介于固、氣之間的一種特殊狀態(tài)，兼具固態(tài)的分子堆積密度以及氣體的流動與兼容性。對液態(tài)路線的開發(fā)探索被認為是實現(xiàn)三維石墨烯材料結(jié)構(gòu)與性能高效可控制備的關(guān)鍵。長期以來，科研人員在建立一條液態(tài)的三維石墨烯材料合成路線方面付出了努力與嘗試，但未取得實質(zhì)性進展。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所新型熱固性樹脂團隊研究員劉小青通過對碳前體的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用激光刻蝕，實現(xiàn)了從液態(tài)前驅(qū)體直接轉(zhuǎn)化為三維石墨烯材料。這條全新的制備路線集成了激光制造與液態(tài)前驅(qū)體兩者的優(yōu)勢。幾乎所有目前廣泛應(yīng)用的石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)均可以通過這條液態(tài)路線直接一步制備，包括粉末、多孔膜、功能涂層、柔性Janus結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)定制化的宏觀三維石墨烯材料，展現(xiàn)了研究價值與應(yīng)用前景。 此外，制備得到的三維石墨烯材料的功能組分也具有高度的可控性。

該工作提出了全新的3D打印原理，即通過對液態(tài)前驅(qū)體的逐層轉(zhuǎn)化實現(xiàn)對石墨烯材料三維結(jié)構(gòu)的定制化構(gòu)造，對于當(dāng)前有限的碳材料3D打印技術(shù)做出了重要擴充。由于不熔不溶不聚合，開發(fā)適用于碳材料的3D打印技術(shù)長期以來被視為是一項挑戰(zhàn)。而與現(xiàn)有的打印策略相比，除了在原理上具有本質(zhì)的不同之外，這種通過面單元原位生長的打印方式的優(yōu)勢在于打印過程簡單高效以及打印得到的產(chǎn)品具有高結(jié)構(gòu)連續(xù)性。SLT打印過程避免了傳統(tǒng)的高耗能高污染的氧化石墨烯的制備，且得到的打印產(chǎn)物無需額外的高溫退火還原過程。打印產(chǎn)物的電導(dǎo)率和強度分別達4380 S/m和4.4 Mpa，優(yōu)于傳統(tǒng)的3D打印石墨烯材料。

相關(guān)研究成果以Direct Conversion of Liquid Organic Precursor into 3D Laser-induced Graphene Materials為題，在線發(fā)表在Advanced Materials上。

資料來源： 寧波材料技術(shù)與工程研究所

關(guān)鍵詞： 工程研究所 還原過程 納米材料