研究背景
　　石墨烯具有优异的力学、电学和热学性能，因此发展适用于3D打印的石墨烯油墨在柔性电子器件、热管理器件、生物材料器件等领域具有广泛的应用前景。然而，现有的3D打印石墨烯油墨都涉及氧化石墨烯以及各类添加剂（包括粘结剂、增稠剂、表面活性剂、流变性能调节剂等）的使用，这不仅降低了器件的导电性、导热性、能量密度，而且所需的冷冻辅助打印、还原后处理及冷冻干燥过程大大增加了工艺复杂性和成本，不能很好满足3D打印石墨烯油墨的商业化应用需求。
　　成果简介
　　近日，中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员、周锋副研究员与中国石油大学（华东）吴明铂教授合作，以电化学阳极剥离的石墨烯（EG）、甘油及水为原料，开发出一种无添加剂、性价比高，具有高鲁棒性、环保性的3D打印石墨烯油墨，实现了高性能单片集成微型超级电容器（EG-MIMSCs）的3D打印（如图1所示）。
　　该油墨干燥后固体含量为100%，消除了添加剂对储能及其他应用领域的有害影响。以EMImBF4/PVDF-HFP离子凝胶为准固态电解质，3D打印的石墨烯微型超级电容器具有优异的电化学性能，包括面积比电容4900 mF cm−2，体积比电容195.6 F cm−3，面积能量密度为2.1 mWh cm−2，以及体积能量密度为23 mWh cm−3，并且在3.5 V电压窗口和100 °C高温下实现了优异的循环稳定性。此外，为了满足实际电子器件（例如微型机器人，传感器）对高工作电压（>100 V）的要求，3D打印的单片集成微型超级电容器实现了高集成电池数（188个电池），高集成密度（16 cells/cm−2），高输出电压（192.5 V）和高电压密度（56 V cm−2）。总之，该工作为石墨烯在3D打印领域的商业化提供了科学指导与应用基础。该3D打印的无添加剂石墨烯油墨也有望在热管理、生物医学和建筑工程等其他研究领域得到应用。

　　图1：EG与EG-MIMSCs的制造过程。

　　图2：电化学剥离石墨烯（EG）与电化学剥离石墨烯油墨的表征。

　　图3：EG-MSCs在PVA-H2SO4电解液中的电化学表征。

　　图4：EG-MSCs在EMImBF4/PVDF-HFP电解液中的电化学表征。

　　图5：EG-MIMSCs的电化学表征。
　　通讯作者简介

　　周锋，中国科学院大连化学物理研究所副研究员，硕士生导师，主要从事二维材料及其电化学能源应用的基础研究，尤其在高质量石墨烯材料的规模化宏量制备与应用转化，以及离子液体在超级电容器和微型电化学能源器件等方面取得了一定的成果，部分成果正在推进产业化。迄今为止，已在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Storage Mater.、Natl. Sci. Rev.、ACS Energy Lett.等期刊发表学术论文40余篇，申请国家发明专利12项，作为项目负责人及横向项目执行人承担基金委、中科院、辽宁省及企业等项目9项。

　　吴明铂，中国石油大学（华东）教授，博士生导师，新能源学院常务副院长，科技部中青年科技创新领军人才，山东省泰山学者特聘教授，全国石油和化工行业重质油碳质化高附加值利用重点实验室主任。主要研究领域涉及功能碳材料的制备及其在催化、能量转换/存储和环境保护中的应用。已在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Advanced Functional Materials、ACS Nano等国际知名刊物发表SCI论文200余篇，主持省部级以上科研项目30余项，在重质油基碳材料的构筑和功能化方面形成鲜明的研究特色，拥有系列具有自主知识产权的核心技术方法，获授权国家专利50余项，获省部级科技奖励10项，出版学术专著2部。

　　吴忠帅，中国科学院大连化学物理研究所研究员、国家杰青、英国皇家化学会会士、2018-2023年连续六年科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔“中国高被引学者”、超级电容产业联盟青年工作委员会副主任等。主要从事二维材料化学与微纳电化学能源应用的基础研究，包括是石墨烯与二维材料、微型储能器件与微能源系统、超级电容器、先进电池（锂/钠/锌离子、锂金属/硫/空、固态电池）和能源催化。已在Nature、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.等期刊发表学术论文300余篇，被SCI引用37000余次（Google学术引用45000余次）。获国家自然科学奖二等奖（第四完成人，2017）、辽宁省自然科学奖一等奖2次（第四完成人，2017；第一完成人，2022）、第十三届辽宁青年科技奖、Nano Research新锐青年科学家奖、Energy Storage Materials青年科学家奖、中国科学院优秀导师奖、卢嘉锡优秀导师奖、中国科学院大学领雁银奖-振翅奖、中科院“百人计划”终期评估优秀等。获批国际标准1项、国家标准2项。担任Applied Surface Science副主编，J. Energy Chem.执行编委，Editorial Group Member for Natl Sci. Rev., Energy Storage Mater.、Science Bulletin、科学通报、Nanomaterials、Mater. Res. Express、Physics编委，Interdisciplinary Materials学术编辑，Chin. Chem. Lett.、eScience、Materials Futures、物理化学学报青年编委、Engineering通讯专家。担任Adv. Mater.、Energy & Environ. Mater.、J. Energy Chem.、Energy Storage Mater.、2D Materials、Chem Eng. J、 Chin. Chem. Lett.、ACS Applied Energy Mater.、J. Sold State Chem.、新型碳材料等杂志客座编辑。