成果简介
三维（3D）石墨烯基混合材料目前引起了人们的兴趣，并在许多领域发现了许多潜在的应用。三维石墨烯不仅可以为其他纳米级功能材料的固定提供框架或骨架，而且由于其高导电性和独特的多孔结构，在化学反应过程中也有利于电子和质量的传输。具有可控结构的金属、金属氧化物和导电聚合物装饰的三维石墨烯混合体作为电极材料表现出良好的性能。本文，扬州大学高杰峰副教授团队在《Compos. Part A Appl. Sci. Manuf.》期刊发表名为“Three dimensional graphene composites: preparation, morphology and their multi-functional applications”的综述，介绍了各种合成方法，包括化学气相沉积（CVD）、水热或溶热、冷冻干燥和自组装，以制备三维石墨烯混合材料。综述了这些混合电池的形态及其在锂电池、超级电容器、催化剂、电磁干扰屏蔽、太阳能脱盐和应变传感器中的广泛应用。尽管已经取得了巨大的进展，但在综述中还讨论了3D石墨烯混合体的发展挑战和未来前景。
图文导读
2.1 3D石墨烯或3D石墨烯基结构的合成
在本节中，总结了用于制备3D石墨烯杂化材料的CVD和基于溶液的合成，包括冷冻干燥，水热或溶剂热过程，还原过程组装GO。为了便于描述，GF、GA、NG分别代表石墨烯泡沫、石墨烯气凝胶和氮掺杂石墨烯。
方案1.磷化MoS2/石墨烯制备示意图
方案2.制备3D石墨烯/NC@Co复合材料的过程示意图
2.2.不同种类的3D石墨烯混合体
可以将不同种类的纳米材料（包括金属氧化物，贵金属，聚合物等）引入3D石墨烯中，以形成具有各种形态的杂化物，这将在以下描述。
图1、Co3O4/NCNTs/3D 石墨烯合成流程及表征
2.3应用
近年来，可充电电池在各个领域（例如，便携式电子设备，电动汽车）得到了广泛的研究。锂基电池最有可能满足这些应用的快速需求。在这些电池中，锂离子电池（LIB）因其独特的性能而成为焦点：高能量密度，高电压和轻质。尽管取得了这些成就，但由于能量密度相对较低，最先进的LIB无法完全满足开发电动汽车的高要求。因此，具有高能量密度的新型电池系统受到高度关注。其中，锂电池（LMB），特别是锂硫电池（LSB）被认为在电动汽车中具有前瞻性应用前景。LSB填补了LIB的空白。电极材料被认为在实现高性能电池方面具有主导作用。本文总结了近年来开发的3D石墨烯基电极材料作为锂离子电池和LSBs电极。
小结
在过去的几十年里，二维石墨烯因其良好的导电性、极大的比表面积、结构的灵活性以及稳定性等优异性能而备受关注。鉴于其易聚集等问题，人们对具有独特多孔结构的三维石墨烯的制备给予了极大的关注。为了进一步提高其综合性能，从而扩大其应用范围，纳米结构材料往往被纳入三维石墨烯，形成混合材料。在此，详细介绍了三维分层多孔石墨烯基杂化材料的主要合成方法、各种纳米结构形态，以及在储能、催化剂、EMIS、水处理和应变传感器等方面的广泛应用。三维石墨烯与金属或金属化合物、聚合物等结合的电化学性能增强，能满足广泛的应用，特别是在能源、催化和智能穿戴方面。正如预期的那样，越来越多的人将致力于探索基于三维石墨烯混合材料的便携式、可穿戴和轻型电化学装置。
尽管已经取得了很大的进展，但对于三维石墨烯混合/复合材料来说，仍有几个问题需要加以考虑。首先，对于多孔结构来说，三维石墨烯中的微孔、中孔和大孔对多功能作用非常重要。微孔有助于增加碳材料的表面积，因为其表面与体积之比很大，而中孔和大孔可以作为传质、离子扩散和气体可及性的开放通道。但是，现在很难精确调整多孔结构，特别是微孔和中孔。其次，应注意三维石墨烯基混合结构中不同成分的影响，以充分利用三维混合复合材料的优势。第三，应仔细平衡三维rGO的导电性和亲水性。最后但并非最不重要的是，利用三维石墨烯混合材料创造高性能的能源储存或EMIS、水处理、应变传感器等实际应用仍有很大的挑战。阳极/电解质界面的钝化层不稳定和三维石墨烯材料的经济可行性是两个主要问题。尽管存在上述问题，但随着新材料的设计、制造和表征的进展，3D石墨烯混合材料有望在不久的将来获得更大的发展。
文献:https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107335
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