基于石墨烯的墨水可以產(chǎn)生可印刷的能量存儲裝置

研究人員創(chuàng)造了一種由石墨烯納米片制成的墨水，并證明該墨水可用于印刷三維結構。由于石墨烯基油墨可以以便宜且環(huán)境友好的方式大量生產(chǎn)，所以新方法為開發(fā)各種可印刷儲能裝置鋪平了道路。

由蘇州大學和北京石墨烯研究所的Jingyu Sun和劉中凡以及深圳大學的Ya-yun Li領導的研究人員在最近一期ACS Nano上發(fā)表了一篇關于他們工作的論文。

“我們的工作通過直接化學氣相沉積實現(xiàn)了鹽模板上氮摻雜石墨烯納米片的可擴展和綠色合成，”Sun告訴Phys.org。“這使我們能夠在可印刷儲能領域進一步探索由此衍生的油墨。”

正如科學家解釋的那樣，石墨烯研究的一個關鍵目標是以高質(zhì)量和低成本大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯。能量存儲應用通常需要粉末形式的石墨烯，但到目前為止，生產(chǎn)方法已導致具有大量結構缺陷和化學雜質(zhì)的粉末，以及不均勻的層厚度。這使得制備高質(zhì)量石墨烯油墨變得困難。

在新論文中，研究人員已經(jīng)展示了一種制備石墨烯墨水的新方法，可以克服這些挑戰(zhàn)。該方法涉及使用直接化學氣相沉積在NaCl晶體上生長氮摻雜的石墨烯納米片，其導致氮和碳的分子片段擴散到NaCl晶體的表面上。研究人員選擇NaCl是因為其天然豐富，成本低，以及水溶性。為了除去NaCl，將涂覆的晶體浸沒在水中，這導致NaCl溶解并留下純氮摻雜的石墨烯籠。在最后一步中，用超聲波處理籠子將籠子轉(zhuǎn)變成2-D納米片，每片約5-7個石墨層厚。

得到的氮摻雜石墨烯納米片具有相對較少的缺陷和用于印刷的理想尺寸(邊長約5微米)，因為較大的薄片會阻塞噴嘴。為了證明納米片的有效性，研究人員使用基于石墨烯片的油墨印刷了各種各樣的三維結構。在他們的演示中，研究人員使用墨水作為電極材料(氮化釩)的導電添加劑，并使用復合墨水為超級電容器印刷柔性電極，具有高功率密度和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

在第二次演示中，研究人員創(chuàng)造了一種由石墨烯片和粘合劑材料(聚丙烯)制成的復合油墨，用于印刷Li-S電池的夾層。與僅由常規(guī)材料制成的隔板的電池相比，用復合材料制成的隔板表現(xiàn)出增強的導電性，導致電池性能的整體改善。

“未來，我們計劃利用直接化學氣相沉積技術將高質(zhì)量石墨烯粉末大規(guī)模生產(chǎn)用于新興的可印刷儲能應用，”Sun說。