摘要: 三维(3D)石墨烯纳米片材料一般分为两大类:(1)宏观尺度材料，尺寸均大于100 μm，包括泡沫、海绵、气凝胶等材料;(2)微观尺度材料，即各维度尺寸小于100 μm的粉末在宏观尺度上趋向于粉末，但在纳米-微米尺度上具有亚宏观特征。三维石墨烯纳米片材料既可作为活性材料的催化活性电极，又可作为活性材料的导电三维载体，用于电化学能量存储和转化，以及环境修复。本文对三维石墨烯纳米片材料的结构特点、制备方法、能源与环境应用以及典型案例分析进行了简要的分析和总结。
石墨烯具有许多优异的性能，在能量储存与转换、环境净化与保护等领域显示出巨大的应用前景。这些应用的前提是实现石墨烯的宏观制备，并根据不同应用的需要，将二维石墨烯组装成具有特定宏观结构的石墨烯三维(3-D)宏观体。基于化学剥离和化学气相沉积(CVD)技术，已经发展了几种制备三维石墨烯结构的方法。获得的三维石墨烯具有独特的网状结构、超高的孔隙率和比表面积、优异的导电性和机械柔韧性。由于氧化石墨烯在氧化还原过程中引入了大量的结构缺陷，化学剥离法制备的三维石墨烯网络结构的导电性往往较差。通过CVD法直接生长的三维石墨烯具有较高的导电性，但由于金属衬底表面积的限制，其成品率较低，影响了大规模应用。最近，广西大学科学家报道了用离子交换树脂制备高导电性的三维石墨烯材料(粉状材料)(热解催化法)，产率可达kg级。目前，研究人员已经开发出各种用于储能和环境净化的三维石墨烯的大量制备方法。为了实现3D石墨烯的商业化，制造和批量生产方法的简单性以及几何和化学结构的灵活设计也很重要。
图 1 三维石墨烯材料的结构模型: (A)不可逆堆叠，(B)三维结构，(C)三维石墨烯泡沫，(D)三维石墨烯粉末。
图 2 (A)水热还原前后均相氧化石墨烯水溶液分散照片，(B)和(C)三维多孔石墨烯气凝胶SEM图像;(D和E)扫描电镜图像和(F)模板辅助组装三维多孔石墨烯粉末的TEM图像。
图 3 (a – c) GF的合成及与PDMS的集成，170×220 mm2独立GF的照片，GF的SEM图像;(D-E)化学气相沉积(CVD)制备三维石墨烯的机理示意图。
图 4 同步石墨化活化得到的三维多孔石墨烯粉末材料:(A)合成示意图，(B-D) SEM图像，(E-F) TEM图像，(G)孔径分布。
图 5 同步石墨化活化得到的三维多孔石墨烯粉末材料:(A)合成示意图，(B-D) SEM图像，(E-F) TEM图像，(G)孔径分布。
总结：在本文中，我们讨论了三维石墨烯纳米片材料(包括块状材料和粉末材料)的结构特点、制备方法、能源和环境应用以及典型案例分析。三维石墨烯材料可以很好地保持二维石墨烯的高导电性、表面丰富度和机械鲁棒性，以及独特的二维电子行为。此外，连续孔隙度和大曲率提供了快速传质、充足的开放空间、机械灵活性和可调节的电/离子导电性等新特性。特别是，三维曲率为石墨烯的催化和传输特性提供了新的自由度。三维石墨烯材料在能源和环境领域显示出迷人的应用前景和价值。
参考文献
Li, Z., & Yu, C. (2023). Nanostructured Materials: Physicochemical Fundamentals for Energy and Environmental Applications. Elsevier.
https://doi.org/10.1016/B978-0-443-19256-2.00010-7
本文来自纳米结构材料，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
