石墨烯材料尤其是三维石墨烯一直以来由于其优异的性能，被广泛运用在工程能源环境等领域。但是如何解决大规模生产可设计形状的石墨烯结构一直以来没有得到很好的解决。通过化学气相沉积法大规模生产石墨烯结构，自从2009年被报导，成为了很多石墨烯制备的主要方式。由于可牺牲的沉积基板的选择会很大程度影响到最终的内部结构，所以基板制造是很重要的一部分。传统的商用模版，如泡沫金属材料由于其缺少微观孔隙的存在，造成产品机械性能较差；而一些多孔材料基板，则因为宏观结构的设计限制不能达到均匀的生长。
西北工业大学官操教授团队和新加坡国立大学Jun Ding以及 John Wang教授团队合作，提出一种3D打印制备可去除基板的方法。通过引入传统陶瓷烧结造成的微孔以及3D打印设计的复杂结构，制备三维石墨烯结构。
图1. 三维石墨烯结构的设计思路 （a）宏观多孔结构的基板；（b）微观多孔结构的基板；（c）有层次孔状结构；（d）实验设计思路。
这种三维石墨烯材料实现了高达994.2 m2/g的比表面积、2.39 S/cm的电导率、239.7 kPa的杨氏模量，以及可调控的表面性质。并展现了在传感器、能源存储以及水处理等领域的极大应用前景。材料的稳定性也同样表现优异。
图2. （a-b） 随着形变三维石墨烯结构电阻改变; （c-d） 电化学性能测试（产氧以及产氢）; （e）海水淡化效率; （f） 三维石墨烯结构紫外-可见光光谱。
这一成果近期发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是新加坡国立大学Jun Ding教授指导的博士研究生徐茜。
Three Dimensionally Free-Formable Graphene Foam with Designed Structures for Energy and Environmental Applications
Xi Xu, Cao Guan*, Le Xu, Yong Hao Tan, Danwei Zhang, Yanqing Wang, Hong Zhang, Daniel John Blackwood, John Wang*, Meng Li, Jun Ding*
ACS Nano, 2020, 14, 937-947, DOI: 10.1021/acsnano.9b08191
Ding Jun博士简介
Jun Ding 教授是新加坡国立大学材料科学与工程学院的教授，1990年从Bochum大学获得博士学位，1991年4月加入Western Australia大学从事博士后研究工作，1997年4月全职加入新加坡国立大学，并于2011年7月取得教授职位。共发表SCI论文300余篇，他引18713余次，H因子73。近5年以第一/通讯作者发>50 篇SCI学术论文，包括Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., JACS, Nano Energy, ACS Energy Lett. 等。Jun Ding教授在新加坡国立大学材料科学与工程学院管理科研、学术与成果转化，其带领的3D打印团队在多功能/多材料增材技术研究领域取得了令人瞩目的成果。
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：三维石墨烯材料的制备一直以来都存在着挑战。很多文献都有报道过，运用不同的基底材料，无论是可牺牲还是不可去除的，来尝试生产大规模复杂结构的石墨烯材料。可是传统意义上的基底材料，缺乏宏观和微观的结构的调控。我们通过结合对于传统可被去除的陶瓷材料烧结过程的研究以及高精度的3D光固化成型技术，制备多层次多孔基底。解决了后期化学沉积过程中的浓度分布不匀以及带来的基板去除过程裂纹生成问题。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？该研究成果可能有哪些重要的应用？
A：研究过程中每一步实验的优化都是至关重要。无论是光固化树脂各组分比例的优化，打印参数的调试，烧结温度方式的选择，还是化学沉积条件的设置。
除此之外，为了展现所制备的材料拥有优异的性能和广泛的运用前景，我们的团队学习和探索了包括电化学，环境，传感器领域的应用。
后期，我们也愿意和其他相关领域的研究者一起合作去尝试不同的方向。
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