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韩国电工技术研究所《AM》:银纳米颗粒修饰石墨烯微结构的3D打印方法

韩国电工技术研究所《AM》:银纳米颗粒修饰石墨烯微结构的3D打印方法

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2022-11-10 17:42
  • 访问量:

【概要描述】

韩国电工技术研究所《AM》:银纳米颗粒修饰石墨烯微结构的3D打印方法

【概要描述】

  • 分类:行业动态
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2022年10月22日,韩国电工技术研究所Seung Kwon Seol等研究人员在《Additive Manufacturing》上发表题为Three-dimensional Printing of Silver Nanoparticle-decorated Graphene Microarchitectures的研究论文,研究开发了一种简单的3D打印方法来生产用于电子应用的银纳米颗粒(AgNP)修饰石墨烯(AgNP-石墨烯)微架构。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103249

文章简介

石墨烯与无机纳米材料的功能化因其优异的电学和电化学性能而受到广泛关注。功能化石墨烯基材料的3D结构的制造所显示出的几何优势可提高性能,使其应用领域得到扩展。该研究演示了一种实用的3D打印方法来制作银纳米颗粒(AgNP)装饰石墨烯3D微架构。该方法由一系列过程组成:(i)石墨烯微结构与包含石墨烯薄片和硝酸银(AgNO3)的墨水的直写(DIW),以及(ii)通过热处理化学还原银离子。尺寸分布为60 + 15.26 nm的AgNPs均匀地装饰在打印的石墨烯物体上,其电导率为~4.78 S·cm'。成功打印出各种AgNPs -石墨烯3D微结构,如Peano曲线、Gosper曲线和五角星多边形和蝴蝶的体积结构。展示了柔性电子器件中潜在的电子应用,包括用于氯离子(CI)传感器的电阻换能器和用于电磁干扰(EMI)屏蔽的3D网格。该技术为制造AgNP-石墨烯3D微结构提供了一种简便的方法。

研究背景

石墨烯是一种单层碳原子排列在二维(2D)蜂窝状晶格中,其具有许多特殊的物理特性,如高电导率和热导率、大表面积、高弹性模量和优越的机械强度。这些非凡的特性促使石墨烯广泛存在于未来的电子应用,包括晶体管、高频电子、能量转换、光探测、场发射显示、气体传感和透明导体。由于3D几何优势,如高集成密度和大表面积,功能三维(3D)结构的需求最近在各种先进应用中有所增加。制造石墨烯3D结构的各种技术已经开发出来。三维打印,也被称为增材制造,是一种生产具有复杂特征的三维结构的实用方法。已有报道使用不同的3D打印方法对3D打印石墨烯结构进行了几项研究,如立体光刻(SLA)、熔丝制备(FFF)和直写(DIW)。为了增强打印结构的功能性,需要通过添加无机纳米材料来增加石墨烯的含量并使其功能化。DIW是基于多材料通过微喷嘴挤压而成的,主要用于生产石墨烯结构,因为它可以制造含有高浓度石墨烯的3D结构。在大多数在这种情况下,具有绝缘性能的氧化石墨烯(GO)被用于石墨烯结构的3D打印中作为石墨烯前驱体,因为它可以很容易地分散在几种不同的溶剂中。然而,在这一过程中,需要其他化学或热还原步骤来部分恢复打印石墨烯结构的电性能和热性能,这是使用氧化石墨烯的一个弱点。因此,由石墨烯薄片和聚合物作为流变改性剂组成的3D可打印石墨烯墨水已被开发用于DIW。
3D打印石墨烯基结构的功能化对于打印结构在不同应用领域的广泛应用至关重要。在石墨烯上装饰金属(或金属氧化物)纳米材料是通过在石墨烯片间互连纳米材料或修饰石墨烯功函数来改善石墨烯基结构的电学性能和电化学或气敏性能的策略之一。特别是纳米银(AgNPs)在石墨烯薄片上的装饰,因其独特的光学、电子、催化和抗菌性能而备受关注。如何在石墨烯薄片表面均匀装饰AgNPs,制备三维石墨烯结构是一个挑战。

文章内容解读

采用石墨烯油墨DIW和热处理在打印的石墨烯表面形成AgNPs的顺序工艺,制备了具有复杂体积形状的agnp -石墨烯三维微结构。该油墨由石墨烯片、高性能pc、APTMS和AgNOs在DI水中混合而成。石墨烯片作为导电支撑材料,高性能pc作为Ag离子还原的还原剂和石墨烯片分散的稳定剂。aptms修饰的HPC诱导与Ag离子的化学结合。150℃热处理2 h后,石墨烯表面装饰了尺寸分布为60 +15.26 nm的AgNPs。当油墨中的CAg增加到15 wt%时,打印出的AgNP -石墨烯线的电阻率从0.688 + 0.111-0.209 + 0.005 .cm下降。通过精确控制喷嘴来控制打印通道,打印出了几种AgNP石墨烯3D微体系结构,如Peano曲线、Gosper曲线和五角星多边形和蝴蝶的体积结构。演示了三种不同的电子应用:一个灵活的3D电路,用于CI'传感的电阻传感器,以及用于EMI屏蔽的3D网格。我们的方法是一种实用的方法,可以生产具有复杂形状的多功能AgNP s -石墨烯3D微架构,用于先进的下一代石墨烯应用。

图1 (a) AgNP -石墨烯结构的3D打印方法示意图和FE-SEM图像,通过两个连续步骤:使用AgNP -石墨烯墨水3D打印蝴蝶形结构和热处理。标尺为1 μm。(b) AgNP -石墨烯油墨的流变性能(17 wt%石墨烯片与13 wt% HPC和8.7 wt% APTMS混合在61.3 wt% DI水中,15 wt% AgNOs)。随着剪切应力的变化,油墨从固体状流体转变为液体状流体。(c)掺15% AgNO的油墨失重和导数失重的TGA曲线。

图2在150°C热处理2小时后,印刷结构相对于CAg(0、5、10和15 wt%)的结构和电性变化。(a) FE-SEM图像显示打印结构的形态变化。红点圈表示石墨烯表面减少的AgNPs。(b) AgNP-石墨烯体系结构的x射线衍射(XRD)图。CAg的增加导致Ag峰强度的增加。黑色星号和灰色菱形分别代表石墨烯和银。(c)打印的AgNP -石墨烯线的电阻率。5个样品的值取平均值。

——END——

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