3D打印石墨烯材料仍存在很多問題，比如：抗壓縮、抗彎曲等機(jī)械性能差、導(dǎo)電性不足、傳質(zhì)性能有待提高，限制了其在很多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。采用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)筑高性能的三維石墨烯材料，對(duì)推動(dòng)能源、環(huán)境和電子等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

3D石墨烯氣凝膠材料的制備方法

氧化石墨烯（GO）上的含氧官能團(tuán)豐富，利用GO片材之間的相互作用將氧化石墨烯納米片進(jìn)行“自下而上”的自組裝，是最常用的制備具有微觀多孔結(jié)構(gòu)的3D石墨烯氣凝膠材料的方法之一。

3D石墨烯材料的關(guān)鍵特性

3D石墨烯材料的表面積和孔道連通性是兩個(gè)非常重要的特性：大的表面積可以吸附更多的物質(zhì)或負(fù)載更多的活性材料。好的孔道連通性則是讓反應(yīng)相關(guān)的物質(zhì)更容易接近石墨烯內(nèi)表面。

不同制備方法及優(yōu)勢

• 發(fā)泡劑輔助制備：利用發(fā)泡劑輔助可以制備具有多級(jí)孔的3D石墨烯材料，大孔小孔相互連接保證了大的表面積和非常好的孔道連通性。
• CVD石墨烯泡沫制備：CVD石墨烯泡沫可以通過在金屬泡沫上進(jìn)行CVD制備得到。CVD石墨烯泡沫孔徑較大、孔壁較薄，和溶液法制備的3D石墨烯材料相比，具有更多的開放結(jié)構(gòu)和相互連接的孔，且導(dǎo)電性更好。不過，CVD石墨烯泡沫成本較高。
• 聚合物模板制備：為了降低成本，可以用含有大孔的聚合物（例如聚氨酯）海綿作為模板，在表面涂上GO后經(jīng)過后處理還原得到石墨烯泡沫。
• 定向微孔結(jié)構(gòu)制備：和隨機(jī)的微孔結(jié)構(gòu)相比，定向的微孔結(jié)構(gòu)可以賦予3D石墨烯材料更獨(dú)特的功能。通過單向冷凍干燥的方法，可以得到以垂直冰晶為模板的具有平行孔道結(jié)構(gòu)的3D石墨烯材料，這種平行通道的毛細(xì)作用可以更有效地去除液體中的污染物。

3D石墨烯材料的應(yīng)用前景與優(yōu)勢

孔道結(jié)構(gòu)可調(diào)、成本可控、導(dǎo)電性可調(diào)和適合大規(guī)模制備等諸多優(yōu)點(diǎn)，在面向不同的應(yīng)用場合時(shí)可以選擇不同的制備方法制備3D石墨烯材料，這使得3D石墨烯材料具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

• 電化學(xué)性能優(yōu)勢：3D石墨烯材料具有大的比表面積、連通的孔道結(jié)構(gòu)、出色的導(dǎo)電性、強(qiáng)勁的機(jī)械性能和高的電化學(xué)穩(wěn)定性，因此，3D石墨烯材料可以：支持3D空間中的快速電子傳輸；確保更快的離子擴(kuò)散；為離子的吸附和解吸提供足夠的空間；促進(jìn)液體電解質(zhì)的快速傳質(zhì)。在電池和超級(jí)電容器中，3D石墨烯材料具有高能量和高功率密度、出色的倍率能力和長期循環(huán)穩(wěn)定性。
• 作為載體應(yīng)用：此外，3D石墨烯材料還可以用作雜原子、功能聚合物、無機(jī)納米結(jié)構(gòu)以及其他重要的碳納米材料的理想載體，應(yīng)用于燃料電池、太陽能電池、光電化學(xué)分解水、氫存儲(chǔ)以及將CO?捕獲并轉(zhuǎn)化為清潔燃料和增值化學(xué)品等領(lǐng)域中。
• 環(huán)境治理應(yīng)用：3D石墨烯材料大的比表面積和靈活可控的表面化學(xué)特性使其可用于快速去除水中的污染物。

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