​西北工业大学黄维院士、官操教授AFM：数字化制备三维高损伤容限的柔性石墨烯泡沫

【研究背景】

高性能结构可设计的三维石墨烯的构建是大规模工业化应用的关键，也是目前亟待解决的重要问题。虽然通过氧化石墨烯片制备三维石墨烯泡沫是一个很好的选项，但该策略制备的石墨烯泡沫通常存在缺陷和交联强度不足的问题，进而在导电性和机械强度上满足不了工业应用的要求。因此探索可自由成型的高性能石墨烯泡沫意义重大。

【文章简介】

有鉴于此，西北工业大学的黄维院士和官操教授团队提出了一种3D打印可循环金属盐模板和化学气相沉积相结合的方法用于制备具有卓越机械性能和功能特性的3D氮掺杂石墨烯（NG）泡沫。各种金属盐模板实现了循环使用，而且金属盐的选择具有普适性（其中3D金属盐模板及其衍生的金属模板在课题组前期工作中已经实现并应用：Incorporating Metal Precursors towards a Library of High-resolution Metal Parts by Stereolithography. Applied Materials Today. 2022, 29, 101553.;Stereolithography of 3D Sustainable Metal Electrodes towards High-Performance Nickel Iron Battery. Advanced Functional Material. 2022, 32 2205317.; Highly Efficient All-3D-Printed Electrolyzer toward Ultrastable Water Electrolysis. Nano Letters. 2023, 23, 629-636.）。该NG泡沫是由共价连接的石墨烯片网络组成，表现出多尺度多级结构，可规模化制备，低密度（9.5 mg cm^-3），高弹性（可支撑62500倍的自重负载并在卸载后完全回弹），非凡的抗疲劳性，良好的导电性（5 S cm^-1），宽可逆弹性温度范围（-196-300 ℃）。原位电子显微镜和有限元模拟进一步验证了其优异的机械性能。为了验证其高结构设计自由度和普适性，制备可拉可压可弯的负泊松/极小曲面复合结构和一系列金属盐模板衍生的NG泡沫。最后该NG泡沫还被用于制备高能量\功率密度的电化学储能器件和灵敏的压力传感器，进一步验证其广阔的应用前景(3D Printed Graphene-Based Metamaterials: Guesting Multi-Functionality in One Gain. Small 2023, 2207833. )。该成果以“Digitization of Free-Shapable Graphene Foam with Damage Tolerance”为题，发表在期刊 《Advanced Functional Materials》上，通讯作者为黄维院士和官操教授，第一作者为徐茜副教授和杜俊杰博士。

【图文简介】

图1. 三维金属模板和三维NG泡沫制备示意图和表征。金属盐模板通过温和的酸刻蚀和蒸发可实现金属盐的循环使用。

图2. 三维弹性的多孔NG泡沫的演示。高精度复合负泊松/极小曲面可以实现三维弹性，即压缩，弯曲，拉伸的特性在同一结构上实现。

图3. 三维NG泡沫的力学性能和压敏特性。NG泡沫表现出优异的机械强度，模量，导电性和压敏特性。

图4. 三维NG泡沫的分级有限元模拟与力学性能。通过有限元模拟和原位SEM表征，说明层级结构和共价交联有助于提升材料的机械性能。

图5. NG泡沫的应用及规模化生产。NG泡沫不仅展现了规模化制备的潜力，同时具有宽的可逆弹性温度范围（-196-300 ℃），并可用于制备柔性高能量\功率密度的电化学储能器件。

【结论】

本文报道了一种可回收的金属盐打印和化学气相沉积方法，用于高效、精确制造具有分层孔隙率和高结构设计自由度的超弹性三维空心NG泡沫。该NG泡沫成功地复制了模板的多尺度多级结构，并保持了优良的机械和电性能，这优于来自化学衍生石墨烯片的宏观石墨烯结构。该方法不仅避免了繁琐的制备工艺，实现了NG泡沫的高精度复杂结构定制化和三维柔性（可拉可压可弯），还开辟了具有非凡性能的石墨烯泡沫的绿色制造。最后，这种多功能的石墨烯泡沫表现出规模化生产的潜力和广泛的应用前景（高能量\功率密度的柔性电化学储能器件和灵敏的压力传感器）。

【文献信息】

Xi Xu, Junjie Du, Qinghe Cao, Danwei Zhang, Chen Li, Gangwen Fu, Yong Gao, Jiayu Yang, Cao Guan*, Wei Huang*. Digitization of Free-shapable Graphene Foam with Damage Tolerance. Advanced Functional Materials (2023).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202300904