Ibridi mesoporosi robusti e conduttivi a ridotto ossido di grafene-silice ottenuti mediante stampa e via sol gel

I RICERCATORI SVILUPPANO UN NUOVO METODO PER PRODURRE STRUTTURE IBRIDE DI OSSIDO DI GRAFENE E SILICE STAMPATE IN 3D

I ricercatori dell’Istituto spagnolo di ceramica e vetro (ICV) e dell’Istituto di microelettronica e nanoscienze dell’Università di Aix-Marseille hanno utilizzato scaffold di ossido di grafene stampati in 3D come base per strutture ibride leggere che conservano molte delle proprietà desiderabili del grafene, tra cui conduttività elettrica e acqua capacità di adsorbimento.

I ricercatori hanno infiltrato gli scaffold di ossido di grafene con una soluzione precursore di alcossido per produrre le strutture ibride, che mostrano la potenziale idoneità per applicazioni come rimozione di sostanze inquinanti, filtraggio dell’acqua, catalisi, somministrazione di farmaci e produzione e stoccaggio di energia.

Allotropo del carbonio, il grafene è diventato un elemento comune nella ricerca connessa alla produzione di energia e alla microelettronica, nonché nello sviluppo di nuove tecnologie come la biomedicina e il rilevamento. Il materiale è altamente desiderato per le sue proprietà di leggerezza , elevata conduttività elettrica e termica e resistenza meccanica. Sebbene gran parte del potenziale del grafene derivi dalla distribuzione del materiale nella sua forma monostrato, l’utilizzo del grafene per la stampa 3D presenta ancora sfide significative.

Tuttavia, i ricercatori della Virginia Tech e del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno compiuto ulteriori passi per sfruttare il potenziale del grafene dopo aver sviluppato un metodo di stampa 3D ad alta risoluzione che prevede la dispersione del grafene all’interno di un gel per creare una resina stampabile 3D. LLNL ha anche lavorato con un team dell’Università della California, Santa Cruz , su una tecnica di stampa 3D per elettrodi aerogel a base di grafene utilizzati all’interno di dispositivi di accumulo di energia.

Il grafene è stato utilizzato anche per la creazione di armature auto-sensibili stampate in 3D e per la modernizzazione delle reti di trasporto . Altrove, una nuova ricerca ha rivelato come la struttura dell’acqua cambia a contatto con la superficie del grafene.

Più recentemente, i ricercatori del Center for Additive Manufacturing dell’Università di Nottingham hanno fatto una svolta nella stampa 3D di dispositivi elettronici con grafene, sviluppando una tecnica di stampa 3D basata su getto d’ inchiostro che potrebbe aprire la strada alla sostituzione del grafene monostrato come materiale di contatto per Semiconduttori metallici 2D.

L’ossido di grafene è considerato un elemento fondamentale per la produzione di strutture leggere connesse 3D dotate di elevata porosità, conduttività elettrica, flessibilità e ampia superficie. Gli scienziati miravano ad affrontare alcuni dei difetti dell’ossido di grafene, come la sua debolezza meccanica e la vulnerabilità all’esposizione alle fiamme, ancorando altri materiali alla struttura del grafene 3D per creare un materiale ibrido o composito.

Innanzitutto, i ricercatori hanno stampato in 3D scaffold in ossido di grafene utilizzando un inchiostro a base d’acqua preparato con nanofogli di ossido di grafene, un sistema di robocasting a tre assi di 3-D Inks LLC e il software RoboCAD. Gli scaffold sono stati stampati tramite un ago di 410 μm di diametro in un parallelepipedo costituito da 16 strati di aste equidistanti, che sono state posizionate ad angolo retto rispetto agli strati adiacenti.

Le strutture sono state quindi congelate immergendole in azoto liquido per 10 secondi prima di essere liofilizzate (liofilizzate) e trattate in un forno grafitico a 1.200 gradi Celsius per migliorare la riduzione dell’ossido di grafene. A questo punto, le strutture di ossido di grafene stampate in 3D misuravano 12x12x5 mm.

La fase successiva prevedeva l’infiltrazione degli scaffold di ossido di grafene attraverso quella che il ricercatore ha descritto come la via sol-gel, che prevede la reticolazione del gel a bassa temperatura con i vapori di ammoniaca.

Sono state preparate due soluzioni contenenti tetraetil ortosilicato, etanolo, acqua deionizzata e acido cloridrico, denominate SiO2 sol (silice) e SiAl sol (silice-allumina). Gli scaffold di ossido di grafene sono stati immersi per metà in ciascun sol per cinque minuti all’interno di un contenitore ermetico, prima di essere collocati su una piattaforma di appoggio appena sopra il livello del liquido. I campioni sono stati tenuti qui per 24 ore a temperatura ambiente al fine di indurre condensazione prolungata e rigidità della struttura impregnata attraverso la catalisi dell’ammoniaca. Successivamente, gli scaffold sono stati lavati con etanolo per rimuovere eventuali residui di vapore.

I ricercatori hanno scoperto che le strutture di ossido di grafene-silice stampate in 3D sono rimaste altamente porose, mentre la loro resistenza alla compressione è aumentata del 250-800% rispetto agli scaffold di ossido di grafene non trattati. Le strutture ibride hanno mantenuto anche “conduttività elettriche significative”, ma il miglioramento principale è stato visto nella natura idrofila delle strutture.

È stato osservato che il rivestimento ultrafine a base di silice dell’impalcatura ha un’influenza importante sulle caratteristiche di bagnabilità della struttura. La struttura è diventata totalmente idrofila rispetto allo scaffold in ossido di grafene non trattato, mentre le sue capacità di assorbimento dell’acqua sono state dieci volte migliorate.

Le prestazioni migliorate delle strutture di ossido di grafene-silice suggeriscono che potrebbero essere adatte all’uso come assorbenti, rimozione di inquinanti, rilevamento di gas, accumulo termico o all’interno di applicazioni di scissione dell’acqua fotocatalitica.

Ulteriori dettagli dello studio possono essere trovati nell’articolo intitolato “ Ibridi mesoporosi robusti e conduttivi a ridotto ossido di grafene-silice ottenuti mediante stampa e via sol gel ” , pubblicato nel Journal of the European Ceramic Society. Lo studio è stato co-autore di JJ Moyano, J. Loizillon, D. Pérez-Coll , M. Belmonte, P. Miranzo, D. Grosso e MI Osendi.

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