石墨烯具有优异的性质，但以二维（2D）形式存在，单层厚度仅为0.35 nm。这一直是限制其在三维(3D)器件中实际应用的关键障碍之一，3D器件的组件通常大于微米。因此，将2D石墨烯封装到3D结构中是许多器件和工程应用中必不可少的一步。需要指出的是，3D石墨烯不是指石墨，而是层状石墨烯，是3D互连的多孔材料，其具有与2D石墨烯类似的性能，并且对于3D结构的壁厚而言，通常小于5-10层石墨烯。
近日，约翰霍普金斯大学陈明伟教授综述了空间连续多孔石墨烯的制备和应用的最新进展，这些3D石墨烯具有可设计的微观结构、化学性质和储能和转换性能。
文章要点
1）3D石墨烯通常被分为两大类：i）宏观尺度，其所有维度的尺寸均大于100 μm，包括泡沫、海绵、气凝胶等材料；ii）微观尺度，每个维度的尺寸均小于100 μm的粉末，在宏观尺度上倾向于粉末，但在纳米-微米尺度上具有亚宏观特征。目前需要解决至少两个障碍，以便构建可扩展且商业上可行的石墨烯器件：i）高质量石墨烯的可扩展生产；ii）开发先进的3D结构，以保留石墨烯的独特性能。在过去的十年中，为了保持石墨烯的2D特性，人们一直致力于开发具有连续多孔结构的3D石墨烯。一般来说，根据制造过程中是否使用3D模板，它们可以分为两种主要策略:基于模板的方法（化学气相沉积、固体碳源模板化生长、碳化物衍生）和无模板的方法。
2）3D石墨烯可以很好地保持2D石墨烯的高导电性、表面丰富性和机械坚固性，以及独特的2D电子行为。此外，双连续孔隙率和大曲率提供了新的功能，例如快速的质量传输、充足的开放空间、机械灵活性和可调的电/热传导性。特别地，3D曲率为石墨烯的催化和传输特性提供了一个新的自由度。
3）鉴于石墨烯良好的2D性质和3D双连续孔隙率的新功能，3D连续多孔石墨烯在电子、传感、机械和电化学等领域具有广泛的应用前景。特别是高电导率、大比表面积、机械柔性和可调的化学活性，使得石墨烯材料既可以作为催化活性电极，又可以作为活性材料的导电3D载体，用于电化学能量转换和存储。由于大的可及比表面积和双连续的开孔孔隙率，连续多孔的石墨烯可以负载大量的活性物质，从连续的薄膜到纳米颗粒，甚至单原子催化剂，在高电流密度下进行激烈的电极反应。此外，通过化学掺杂和曲率可调的表面化学可以提高惰性石墨烯与活性物质的化学亲和力，使活性物质在长周期的电化学反应中具有高的电化学和热稳定性。3D连续多孔石墨烯除了可以作为催化电极的高性能载体外，还可以直接作为高导电性和催化活性的炭电催化剂用于电化学能量转换和储存，这得益于化学掺杂和大曲率和曲率梯度的拓扑缺陷之间的相互作用而产生的高电催化作用。作者综述了3D连续多孔石墨烯作为电化学能量转换和储存的电催化剂和载体的应用进展。
参考文献
Jiuhui Han, Isaac Johnson, Mingwei Chen, 3D Continuously Porous Graphene for Energy Applications, Advanced Materials. 2021
DOI: 10.1002/adma.202108750
https://doi.org/10.1002/adma.202108750
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