英曼大开发出一种高效率低成本生产石墨烯导电油墨的新技术

近日消息，位于曼彻斯特大学的研究人员提出了一种生产石墨烯印刷电子产品的低成本方法，可大大提高导电石墨烯油墨的生产效率并降低成本。

印刷电子产品为信息技术在日常生活中的渗透提供了突破。印刷电子电路的可能性将进一步促进物联网应用的普及。用于电子应用的印刷导电油墨的开发迅速发展，扩大了在晶体管，传感器，天线RFID标签和可穿戴电子设备中的应用。基于石墨烯的油墨有机会主宰这项技术，因为它们可能成本低，可直接应用于纺织品和纸张等材料。

目前传统的导电油墨使用金属纳米颗粒以获得高的导电性。 然而，这些金属材料可能很昂贵或容易被氧化，使得它们远非是低成本物联网应用的理想选择。

曼彻斯特大学Kostya Novoselov的一个研究团队报告了一种适用于丝网印刷技术的石墨烯油墨的环境可持续生产途径。使用无毒溶剂二氢乙烯基葡萄糖酮（Cyrene）显著加快了石墨烯液相剥离的速率，并降低了成本。石墨烯油墨电导率可达到7.13×104S m-1，可以应用在从MHz到数十GHz波段内的无线连接天线中。

石墨烯油墨是石墨烯薄片在溶剂中的分散体，可以通过喷涂、丝网印刷、喷墨印刷和刮刀涂布技术很容易地形成图案。在打印天线领域，喷涂是一种较少报道的方法，由于薄膜缺乏平整度。喷墨打印法与刮刀涂布法是互补的，前者具有较高的精度和较高的成本，而后者则相反。此外，喷墨打印需要多次打印才能获得低的薄层电阻，这需要花费更多的时间，对大规模生产来说是不可行的。考虑到成本、印刷精度和表面电导率等因素，丝网印刷技术是工业规模化生产导电油墨的最佳选择。然而，目前很少看到有报道利用丝网印刷制备石墨烯的天线，这是由于目前大多数制备石墨烯油墨方法必须使用有机溶剂，例如N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和二甲基甲酰胺（DMF）。它们具有毒性，制备出的油墨浓度低，不可持续，无法用于工业规模生产。

为此，该团队在液相剥离石墨烯制备油墨中利用一种了纤维素衍生的溶剂二氢乙烯基葡萄糖酮（Cyrene）作为溶剂，它不仅无毒，环保且可持续，而且还可以提供更高浓度的石墨烯油墨，从而显著降低大规模生产的成本。在这项工作中，开发了低成本，环保且可持续的高导电性石墨烯油墨（10 mg mL -1），并进一步浓缩至70 mg mL -1用于丝网印刷。

作为关键的应用示范，本文介绍了一种打印的无石墨烯无线无电池体温传感器、RFID标签和RF能量收集系统，用于为能够感应电阻和电容传感器的无电池设备供电，说明低成本、屏幕印刷的石墨烯可穿戴设备在物联网应用中的潜力，例如医疗保健和健康监测，也体现了可持续性和可处置性，所有这些都是进入大规模生产市场的关键因素。