探索三维石墨烯的立体世界，其制备方法和应用领域有哪些？

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的。

三维（3D）石墨烯是由2D石墨烯在宏观尺度上构成的一种新型碳纳米材料，石墨烯片层相互支撑，阻止了石墨烯团聚现象的发生，具有高比表面积、高孔隙率、高热导率、高电导率、低密度等优异特性。

3D石墨烯的制备

首先要生长高质量的2D石墨烯材料，尽可能减少缺陷，提升层数均匀性。其次考虑结构单元匹配是采用片状结构、管状结构还是棒状结构，还要考虑结构单元的连接方式，优化连接强度以及连接数。最后要根据实际应用情况考虑引入适合的孔径结构。

目前主要的制备方法包括以下三种：湿化学技术、3D打印技术、CVD制备技术。

湿化学制备技术是采用硫酸和高锰酸钾等氧化剂，将石墨氧化插层，剥离出氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯自组装，实现石墨烯的连接。制备的块体材料在冷冻过程形成冰晶，进行造孔，通过冷冻干燥制备出3D石墨烯。

这种方法制备的3D石墨烯很轻，弹性很好，可以规模化制备，但制备方法较为单一，微结构调控有限，由于采用的氧化过的石墨烯缺陷较多，制备出的3D石墨烯力学强度和导电性较差。

3D打印技术是将氧化石墨烯制备出稳定分散的石墨烯浆料，采用3D打印设备，根据程序设计打印出结构可控的块体材料，进一步去除模板和杂质等。然后通过冷冻干燥，制备出结构规整的3D石墨烯材料。

这种方法制备的3D石墨烯很轻，弹性较好，微结构调控较为灵活，可以实现规模化制备，但力学强度和导电性还有很大提升空间。

化学气相沉积技术制备三维石墨烯，在高温条件下直接在多孔模板表面生长石墨烯，去除模板后冷冻干燥，制备出三维石墨烯。这种方法制备出的石墨烯具有超轻、超弹的特性，微结构调控灵活，可规模化制备，力学和电学性能非常优异。

3D石墨烯的应用

目前，3D石墨烯主要是作为超级电容器和电池中的粘合剂材料。人们对3D石墨烯应用在金属空气电池（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。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。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。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。