滑铁卢研究人员开发出全3D打印石墨烯墨水，可用于医疗、工业和环境修复

2025年2月14日，南极熊获悉，滑铁卢大学的研究人员开发出了一种全石墨烯、无添加剂的环保型水基墨水，可用于直接墨水书写 (DIW) 到 3D 打印功能气凝胶，可用于电子和电磁干扰 (EMI) 屏蔽应用。这一发现释放了石墨烯在汽车、消费电子产品和环境清洁等不同领域的应用潜力。

相关研究以题为“Additive-free graphene-based inksfor 3D printing functional conductive aerogels/用于3D打印功能导电气凝胶的无添加剂石墨烯基墨水”的论文发表在《材料化学A》杂志上。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta03082f

石墨烯以其强度、导电性和热性能而闻名。然而，它通常以粉末形式生产，难以加工，因此限制了它的用途。研究人员通过设计石墨烯纳米片，创造了世界上第一种全石墨烯墨水，这种纳米片可以在水中分散，同时仍保持导电性。除了极其多功能外，这种新墨水不含添加剂，与其他替代品不同，打印时不需要任何化学溶剂。

为了设计出这些墨水，研究团队（包括卡尔加里大学、不列颠哥伦比亚大学和芬兰阿尔托大学的成员）开发了一种非常适合大规模生产的两步电化学工艺。一种称为插层的专门设计的步骤，涉及将分子插入层状石墨，允许在水中连续生产石墨烯纳米片。研究全面的表征揭示了石墨烯纳米片的物理化学性质对均匀性、流变性、电导率和 EMI 屏蔽效能 (SE) 的重大影响。

△3D 打印机利用石墨烯墨水制作 UW 徽标（滑铁卢大学）

滑铁卢大学化学工程系教授米拉德·卡姆卡博士表示：“将石墨材料塑造成复杂的几何形状以用于高级应用一直是一项关键挑战，限制了其广泛应用。利用我们提出的方法，我们可以将石墨烯 3D 打印成任何形状。”

△化学工程博士生 Shakiba Samsami 将石墨烯墨水装入 3D 打印机。（滑铁卢大学）

作为一种水性功能性墨水，石墨烯可以通过 3D 打印制成智能手表和健身手环的传感器，或糖尿病患者的血糖监测仪。其他潜在应用包括 3D 打印部件以减轻车辆重量，以及过滤器以净化甚至淡化水。

石墨烯墨水还可以用于电池、印刷电子产品和环境修复领域，例如利用多孔、超吸收结构清理海洋中的漏油，以及捕获大气中的二氧化碳以帮助最大限度地减少气候变化。

为了设计这些墨水，研究团队（成员来自卡尔加里大学、不列颠哥伦比亚大学和芬兰阿尔托大学）开发了一种两步电化学工艺，非常适合大规模生产。一个专门设计的步骤称为插层，涉及将分子插入层状石墨，允许在水中连续生产石墨烯纳米片。

滑铁卢大学多尺度材料设计实验室主任卡姆卡尔说：“我们现代技术的进步是以新的环境挑战为代价的。为了生存和应对这些挑战，我们必须开发比现有材料更有效的新材料。这只能通过控制和微调多个尺度（从分子和纳米级到宏观尺度）的材料特性来实现。”

这种创新的石墨烯墨水生产方法可以快速、连续、大规模地制造轻质多孔材料，避免使用对环境有害的还原剂或高温处理。此外，消除制造过程中的还原步骤符合工业对节能生产工艺和高产出率的需求，标志着材料科学领域的重大进步，并为石墨烯基墨水在先进制造技术中的应用提供了光明的前景。研究人员的下一步将涉及探索环境修复和二氧化碳捕获技术的先进应用。