世界經濟與材料發(fā)展背景

世界經濟的快速發(fā)展驅動工業(yè)和生活向智能化、自動化轉變，對電子產品和能源的需求快速增長。發(fā)展高性能材料對推動綠色可持續(xù)的能源存儲與轉化、新型電子器件以及環(huán)境治理技術的發(fā)展極為重要。碳材料是發(fā)展先進能源、環(huán)境和電子系統(tǒng)的關鍵材料之一。

二維石墨烯材料特性

二維石墨烯材料具有：大比表面積；超高的電子遷移率；優(yōu)秀的導熱性；出色的力學性能（楊氏模量為1100GPa，斷裂強度為125GPa）；良好的化學穩(wěn)定性

二維石墨烯片間的強π-π（原文“Tr－Tt”有誤）相互作用和范德華力使其在加工成宏觀三維材料時極易發(fā)生不可逆團聚，導致性能下降，難以將其優(yōu)良性能從二維微納尺度擴展到三維宏觀尺度。

三維石墨烯材料優(yōu)勢

將二維石墨烯材料組裝成具有三維空間網(wǎng)絡結構可有效防止石墨烯的不可逆團聚，并在很大程度上保留石墨烯的優(yōu)異特性。三維石墨烯材料具有：大的比表面積；靈活可控的表面化學性質；較好的機械性能；優(yōu)異的導電性；連通的多孔結構

這些優(yōu)異的特性使得三維石墨烯材料在以下領域具有優(yōu)勢：

• 能源相關領域：超級電容器、鋰離子電池、燃料電池、電催化等，表現(xiàn)為高的活性材料負載能力；三維空間中快速的電子傳輸和離子擴散速度；為物質在表面的吸附和解吸提供足夠的空間；出色的機械和電化學循環(huán)穩(wěn)定性。
• 環(huán)境領域：空氣、水體治理等。
• 電子器件領域：傳感器、微納電路等。

傳統(tǒng)三維石墨烯材料的局限

傳統(tǒng)的塊體三維石墨烯材料無法實現(xiàn)從納觀到宏觀多尺度的結構設計和成型，使其無法利用優(yōu)異的結構特性進一步提升性能，而且限制了其在很多高性能器件中應用。

3D打印技術的優(yōu)勢

3D打印作為一種計算機輔助快速成型技術，可以通過圖形軟件進行宏觀結構設計，并通過后處理和復合墨水開發(fā)等方式構建微納結構。目前，已有研究表明，3D打印的三維石墨烯材料相比于傳統(tǒng)塊體石墨烯材料具有更快的電荷傳輸速率、更高的剛度和針對具體應用進行形狀設計的能力，使其在鋰離子電池、超級電容器和電催化等領域中的應用中具有更好的性能。

GO自組裝方式及石墨烯氣凝膠制備

驅動GO自組裝的方式包括水熱還原自組裝、離子誘導自組裝和直接化學還原自組裝等。

• 在水熱反應過程中，氧化石墨烯可以成功實現(xiàn)自組裝，得到機械強度高、導電且穩(wěn)定性好的石墨烯氣凝膠。但是，水熱法制備石墨烯氣凝膠的過程需要在高壓的條件下進行，這阻礙了石墨烯氣凝膠的大規(guī)模制備。（不過）在大氣壓力下就可以實現(xiàn)石墨烯氣凝膠的制備。
• 自組裝的方法也可以實現(xiàn)石墨烯氣凝膠復合材料的制備，將GO和乙酸鐵分散液進行水熱自組裝，可以成功制備高表面積的Fe?O?／石墨烯氣凝膠復合材料。

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