什么是3D石墨烯？

作者：利亚姆·克里奇利（Liam Critchley）（化学和纳米技术作家）

石墨烯于 2004 年由诺贝尔奖获得者安德烈·海姆 (Andre Geim) 和康斯坦丁·诺沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov) 首次剥离出来，因其二维 (2D) 的奇妙特性而引起了全球的兴趣。曼彻斯特大学的这些研究人员著名地使用透明胶带获得石墨的单原子层，这是由范德华力将数千（或数百）万石墨烯原子层结合在一起。虽然石墨很普通，但二维石墨烯可能是迄今为止发现的最令人兴奋的实用材料。

“石墨烯”一词目前用于描述一系列材料，从通过化学气相沉积 (CVD) 生产的单层石墨烯到纳米颗粒粉末形式的多层石墨烯，再到大而薄且几乎无缺陷 (LTDF) 的薄片。甚至氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）和纳米片也被称为“石墨烯”。

一种名为“3D石墨烯”的新材料出现了。如果你问这是否矛盾，这是情有可原的，因为石墨烯的奇妙特性是由于其二维结构而成为可能的。毕竟，石墨不是3D石墨烯吗？

什么是二维石墨烯？

描述性的“2D”并非源自石墨烯占据的空间维度。相反，它源自石墨烯每个碳原子一个自由电子的产生方式。二维石墨烯的奇妙特性发生在每个原子的表面，因为在每个石墨烯原子层中，电子被限制在一维（层之间），但电子可以在二维（穿过石墨烯的二维）自由移动层。因此，石墨烯是一种二维材料。

自由电子的这种排序使得高质量石墨烯能够以接近光速的速度传输电力。出于同样的原因，它可以实现高效的热和冷传输。当 LTDF 石墨烯薄片排列成平面结构时，它们的强度比钢强 200 倍。

什么是3D石墨烯？

3D 石墨烯没有单一的定义，因为各个研究人员和公司都根据自己的需求对其进行了定义。虽然 3D 石墨烯材料确实各不相同，但共同点是它们包含形成 3D 网络的互连石墨烯层。因此，在这种情况下，术语“3D”指的是空间排列。

不同形状因素的不同石墨烯材料可用于创建 3D 石墨烯结构，包括“皱褶”和“扭曲”石墨烯、CVD 石墨烯片或石墨烯薄片。无论石墨烯类型如何，不同的石墨烯层都连接形成 3D 网络，可用于创建 3D 宏观结构，例如石墨烯泡沫、石墨烯气凝胶和石墨烯水凝胶。

形成 3D 网络的能力为石墨烯开辟了新的应用领域。这些石墨烯宏观结构包含互连的 3D 多孔网络，与使用平面石墨烯层相比，可以通过不同的方式利用石墨烯层的轻质、机械和导电特性。例如，苏格兰公司 Integrated Graphene 直接在不同的表面上生长 3D 支架（名为 Gii ^TM）。

3D 石墨烯中的孔往往被明确界定在纳米范围内，孔壁由互连的石墨烯层的薄层组成。制造 3D 石墨烯的方法有多种，其中最常见的是模板辅助方法和基于溶液的方法。在过去的几年里，石墨烯网络已经由各种石墨烯材料制成，包括 CVD 石墨烯、石墨烯粉末和氧化石墨烯材料。几乎不言而喻，形成的 3D 石墨烯的特性会根据所使用的石墨烯类型而有所不同。

3D石墨烯的互连网络由于其高弹性和互连的孔隙网络以及超高的表面积而确实具有有用的特性。对于许多应用来说，正在利用的是孔隙网络。3D 石墨烯材料当然比其他纳米级和微米级多孔材料更轻。事实上，石墨烯气凝胶是现有最轻的固体材料之一。

在使用“皱褶”CVD 石墨烯片制造 3D 结构方面，Lyten 似乎是领先者，其材料被称为“Lyten 3D 石墨烯”。从现有文献来看，Lyten 似乎可以压皱石墨烯片以增加活性位点的数量，从而使暴露的表面与其他材料发生反应。

2D 和 3D 石墨烯有何不同

由于2D和3D石墨烯具有不同的宏观结构排列，因此在性能上存在一些差异，尤其是结构性能。3D 石墨烯的机械性能与 2D 石墨烯有很大不同。虽然尚未发现明确的研究，但报告表明 3D 石墨烯的拉伸强度明显低于 LTDF 石墨烯薄片等。同样，虽然 3D 石墨烯网络的导电性和载流子迁移率优于石墨，但它们的导电性远低于 2D LTDF 石墨烯薄片。虽然估计有所不同，但据报道，3D 石墨烯的电导率为 0.1 – 1 MS/m，而 LTDF 石墨烯的电导率高达 100 MS/m，这意味着 LTDF 2D 石墨烯的电导率是 3D 石墨烯的 100 至 1,000 倍。

3D 石墨烯会受到范德华力的影响吗？

与 2D 石墨烯一样，范德华力在 3D 石墨烯材料中发挥着关键作用，而 3D 石墨烯使用石墨烯薄片/片的方式与 2D 石墨烯非常相似。但对整体材料结构产生的影响存在一些差异。在 2D 石墨烯中，范德华力用于将各层保持在彼此之上，但当涉及 3D 石墨烯时，各个石墨烯层使用范德华力互连成 3D 网络。π-π 堆积和氢键（如果是 GO）也在形成网络中发挥作用，但范德华力是 3D 石墨烯网络保持刚性、多孔结构的关键驱动力。

3D石墨烯的应用领域

LTDF 石墨烯薄片可用作数千种产品中的添加剂材料。虽然 3D 石墨烯保留了 2D LTDF 石墨烯的一些有限性能和特征，但其多孔性质使其能够围绕离子/分子吸收和解吸进行一系列应用。

文献中引用的许多（也许大多数）应用都使用一种或另一种形式的 3D 石墨烯作为超级电容器和电池中的粘合剂材料。人们对金属空气电池（锂空气、锌空气、铝空气和钠空气）很感兴趣，大概是因为 3D 石墨烯网络具有更多的活性催化位点。这提高了阴极的催化活性并提高了电池的整体能量密度。Lyten 还一直将其应用开发重点放在商业化程度较低的领域，并一直在使用 3D 石墨烯来制造电动汽车的 Li-S（锂硫）电池组。人们对使用 3D 石墨烯材料作为生物燃料电池中的电极基底也越来越感兴趣，因为它具有更高的表面积用于细菌定殖或生物催化固定。

另一个应用领域是热电装置，即将热能转化为电能的装置。理想的热电材料应具有金属的导电性、绝缘体的塞贝克系数（响应温差的热电电压）以及低的导热性（如半导体的导热性）。3D石墨烯具有较高的塞贝克系数、良好的导电性和较低的导热性（比2D石墨烯低两个数量级）。这些特性可实现良好的热电性能，因为孔隙会中断声子传输，但不会干扰电子传输，从而可以收集热量并将其转化为电能，因为声子的中断会在材料中产生温差。

生化传感是3D石墨烯的另一个关键应用领域，也是Integrated Graphene及其3D石墨烯传感器产品Gii-Sens TM商业化的目标领域。3D 石墨烯可功能化以检测肽、纤维素分子、活细胞、肿瘤细胞和癌细胞。主要原因是 3D 石墨烯的高表面积允许更多的酶/催化活性，并且许多受体可以在材料中功能化。特别是对于癌细胞来说，低热导率和电化学活性表面是有利的，因为高热导率使得使用温度来区分癌细胞和健康细胞变得困难。在生物技术领域，3D 石墨烯作为组织和骨再生应用的生物相容性支架也引起了人们的兴趣，因为多孔网络为细胞从周围组织增殖并融入周围组织提供了良好的平台。

总体而言，3D 石墨烯是传统石墨烯材料的相邻扩展，许多 3D 石墨烯材料由传统 2D 石墨烯层的互连网络组成。它们在许多应用领域具有潜力，特别是由于它们的多孔性质，但对于大多数材料来说，它们赋予其他材料的核心宏观性能通常远远低于 LTDF 2D 石墨烯。一旦工业量的 LTDF 石墨烯薄片得到广泛应用，看看哪些利基用途继续使用 3D 石墨烯将会很有趣。

3D 石墨烯的 SEM 视图。
https://www.researchgate.net/figure/SEM-view-of-3D-graphene-Theshape-of-grown-3D-graphene-was-observed-via-SEM-The-EDX-on_fig2_311097670

参考：

https://www.chemengonline.com/graphene/

https://lyteabout:blankn.com/3d-graphene/

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https://www.integratedgraphene.com/gii-technology

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