Stereolithography 3D Printed Carbon Microlattices with Hierarchical Porosity for Structural and Functional Applications

材料科学 立体光刻 多孔性 超级电容器 复合数 复合材料 碳化 介孔材料 碳纤维 化学工程 电容 电极 扫描电子显微镜 有机化学 化学 工程类 物理化学 催化作用
作者
Akira Kudo,Kazuya Kanamaru,Jiuhui Han,Rui Tang,Kazuaki Kisu,Takeharu Yoshii,Shin‐ichi Orimo,Hirotomo Nishihara,Mingwei Chen
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (47) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/smll.202301525
摘要

Hierarchically porous carbon microlattices (HPCMLs) fabricated by using a composite photoresin and stereolithography (SLA) 3D printing is reported. Containing magnesium oxide nanoparticles (MgO NPs) as porogens and multilayer graphene nanosheets as UV-scattering inhibitors, the composite photoresin is formed to simple cubic microlattices with digitally designed porosity of 50%. After carbonization in vacuum at 1000 °C and chemical removal of MgO NPs, it is realized that carbon microlattices possessing hierarchical porosity are composed of the lattice architecture (≈100 µm), macropores (≈5 µm), mesopores (≈50 nm), and micropores (≈1 nm). The linear shrinkage after pyrolysis is as small as 33%. Compressive strength of 7.45 to 10.45 MPa and Young's modulus of 375 to 736 MPa are achieved, proving HPCMLs a robust mechanical component among reported carbon materials with a random pore structure. Having a few millimeters in thickness, the HPCMLs can serve as thick supercapacitor electrodes that demonstrate gravimetric capacitances 105 and 13.8 F g-1 in aqueous and organic electrolyte, reaching footprint areal capacitances beyond 10 and 1 F cm-2 , respectively. The results present that the composite photoresin for SLA can yield carbon microarchitectures that integrate structural and functional properties for structural energy storages .
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