【新材料●突破】石墨烯导电墨水：剑桥研发出制备新技术——高效、低成本、100%转化率！【新材料●突破】石墨烯导电墨水：剑桥研发出制备新技术——高效、低成本、100%转化率！
2017-02-24 by 人大人科创 Paul
人大人科创●新材料讯: 最近，欧盟石墨烯旗舰项目和英国剑桥大学石墨烯中心的科研人员一起开发了一种新工艺，它能生产出高质量、高浓度、水基的石墨烯导电墨水。该工艺利用了微流化法的超高剪切力，将原始的石墨材料剥离出石墨烯薄片，100%转化为有用的石墨烯导电墨水，并且无需离心分离处理，极大提高了生产效率，节约了生产成本。研究成果发表于美国化学会《ACS Nano》杂志。
研究人员Stephen Hodge（左）和Panagiotis Karagiannidis（右）用微流化法制备石墨烯墨水。
背景 导电墨水，具有广泛的应用，包括可打印和柔性电子器件：如射频识别(RFID)天线、晶体管、太阳能电池。物联网的到来，预计将导致在日常物品间新的连接，包括在食品包装领域。因此，使用稳定、导电和无毒的材料生产廉价和高效的电子设备，就是很明确的一个需求。常规的金、银、铜材料，或者由于价格昂贵（如金高达$40,000/ kg）或者由于稳定性、生物相容性问题，由它们制成的导电墨水的使用领域越来越受到限制。石墨很便宜（$1/ kg）,但石墨基的墨水的导电性能尚达不到可打印和柔性电子器件电极的应用要求（方块电阻<10Ω/□）。由于石墨烯的稳定、优异的导电和无毒的特性，发展基于石墨烯和层状材料的导电打印墨水就是柔性电子、新型能源解决方案、复合材料和涂层低成本制造的关键。
本文报道的石墨液相剥离的新方法有可能为上述可打印和柔性电子器件的规模化制造铺平道路。
石墨烯导电墨水微流化的过程
在水溶液中，以高剪切速率[〜108s-1]的湍流条件剥离石墨为石墨烯，发现具有100％的剥离率。 在高达100g / L的浓度下，无需离心，使用羧甲基纤维素钠盐就可以使剥离后的材料溶液稳定，可直接配制导电性可印刷墨水。 刮刀涂膜的方块电阻低于〜2Ω/□。
部分经由微流化工艺处理的石墨烯导电墨水。图片来源：James Macleod/剑桥大学工程系 石墨烯墨水导电性能极佳
这些产量很高的墨水含有未经化学改性的多层石墨烯，最终印刷成的材料具有优异的导电性能，其方块电阻，低于2 Ω/sq，完全适用于RFID天线、光电和能量存储设备的电极。
可量产和商业化
使用100％产率的微流化方法，现在可以以足够的量为商业产品生产高质量的石墨烯墨水。使用该方法生产的墨水已经通过剑桥大学（Cambridge University）出口公司Cambridge Graphene商业化，该公司最近被工程解决方案公司Versarien收购。这些墨水还提供给位于剑桥的创新印刷公司Novalia，用于其基于触摸的印刷电子演示。
利用石墨烯导电墨水在纸上丝网印刷技术制备的29X29 cm2 电容触摸平板（线宽100 um）
剑桥石墨烯中心研究员PanagiotisKaragiannidis博士是这项工作的主要负责人，他说：“研究的目的是通过使用具有高浓度的墨水的丝网印刷产生具有低薄电阻的层结构。在微流化过程中，所有的起始混合物都经历过相同强度的均匀强化剪切作用，然后将其转化为具有高浓度的墨水，这种方法既不会浪费材料，亦不会有耗时的后续工序（去纯化）。
Andrea Ferrari教授，剑桥石墨烯中心主任，石墨烯旗舰的科学技术主管，欧盟石墨烯旗舰管委会主席。他说：“这是一项重要的突破性进展，将明显有助于石墨烯旗舰实现创新和产业化的目标。事实上，这次技术已经获得了商业化许可，表明石墨烯旗舰的研发周期内，缩短新产品从实验室到市场的时间是可行的。”
Novalia公司的Chris Jones说：“为了产品能够在市场上推广，这些材料应具有高效性、可操作性并且性能稳定。我们在传统工业丝网印刷设备上使用这些石墨烯导电墨水，无需后期修正，即可获得一样的效果。我们将在世界移动大会（Mobile World Congress）展示上百套用于利用石墨烯导电墨水印刷的交互式电子产品。
西班牙国家研究委员会（CSIC）的MarGarcía-Hernandez是石墨烯旗舰Work Package Enabling Materials的负责人，该部门致力于石墨烯和其他层状材料扩展性合成方法的研发。他说：“就应用于有机光伏、RFID天线、导电镀层或纳米复合材料等领域的经济性绿色石墨烯墨水而言，微流化技术使其向产业化迈进了一大步。该方法也应该非常适用于合成各种其他类型的层状材料制成的油墨，这必将扩大层状材料在实际产品中的应用范围。”
参考资料 【1】http://graphene-flagship.eu/scalable-graphene-inks 【2】Panagiotis G. Karagiannidis, Stephen A. Hodge, Lucia Lombardi, Flavia Tomarchio, Nicolas Decorde, Silvia Milana, Ilya Goykhman, Yang Su, Steven V. Mesite, Duncan N. Johnstone, Rowan K. Leary, Paul A. Midgley, Nicola M. Pugno, Felice Torrisi, Andrea C Ferrari. Microfluidization of Graphite and Formulation of Graphene-Based Conductive Inks. ACS Nano, 2017; DOI: 10.1021/acsnano.6b07735
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