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1、什么是三維石墨烯？
石墨烯是二維結構，這種二維結構在力學上存在不穩定性，無法達到完全平整，在微觀上仍會存在一些褶皺。這種褶皺會引發靜電，因此二維的石墨烯往往會發生聚集現象。而且石墨烯表面會存在空洞、邊緣、裂紋、雜原子等形貌缺陷，對于石墨烯本身的性能也有影響。因此，人們把目光放在了如何將二維的石墨烯改變為三維空間結構，即三維石墨烯。
三維石墨烯是由二維石墨烯在宏觀尺度上構成的一種新型碳納米材料，它可以在保持石墨烯超大比表面積、超高導電率優異特性的同時，克服石墨烯片層間的π-π作用力，有效阻隔石墨烯片層的自我無序堆疊進而實現其宏觀結構的穩定性。三維石墨烯材的結構特點使其在電化學儲能、催化、傳感器和生物材料等領域的應用中表現出獨特的優勢，也被認為是一種具有巨大潛力的新型功能性材料。
圖片來源：國家石墨烯產品質量檢驗檢測中心（廣東）
2、三維石墨烯的制備
制備三維石墨烯的方法有自組裝法、交聯法、化學氣相沉積法、模板法以及3D打印法等。
①自組裝法
自組裝法是一種僅通過改變材料所屬環境使納米結構堆積形成宏觀材料的制備手段，能夠使納米結構的自身特性不僅不發生改變而且能在形成的宏觀結構中得到體現。利用該方法制備三維石墨烯結構不僅操作簡單、工藝條件溫和，而且能夠精確調控產物的尺寸、形貌和成分，是三維石墨烯材料大規模制備的有效手段�；谀０宓淖越M裝法、水熱法、氣液界面法、固液界面自組裝和一步法自組裝法都是常用的自組裝法。其中，水熱法常被用于在高溫高壓條件下構筑三維石墨烯結構。氧化石墨烯片層自組裝形成三維多孔石墨烯材料則是常見應用實例之一。
利用自組裝法構建三維石墨烯結構雖然具有操作簡單、成本低、高效、綠色等特點，但是由于操作過程中使用的原料（氧化石墨烯）的還原程度不可控，制備得到的三維石墨烯材料缺陷也相對較多。
②交聯法
交聯法是一種通過向氧化石墨烯中引入二價離子、金屬氧化物、小分子單體等作為交聯劑促進三維石墨烯結構形成的方法。其操作原理是用于制備三維石墨烯結構的氧化石墨烯表面上含有豐富的羥基、羧基和環氧基等活性基團，交聯劑的加入則能夠增強片層間的π-π相互作用進而有利于形成穩定的三維宏觀結構。而且，某些交聯劑的特殊性質能夠轉化到構成的宏觀材料中，使其具備更好的催化、儲能和吸附等特性。
利用交聯法制備三維石墨烯材料雖操作簡單，條件溫和，但得到的三維結構形態不均勻，尺寸不可控。
③化學氣相沉積法
化學氣相沉積法是指化學氣體或蒸汽在基底表面反應合成涂層或納米材料的方法。在利用該法合成三維石墨烯材料過程中，通常會在高溫下使CH4/C2H4/C2H2/葡萄糖等在基底上進行熱解和碳沉積，除去基底后得到目標材料。
大量已報導的實驗證明，非金屬催化劑和非氣態碳源能夠被用于利用化學氣相沉積法制備三維石墨烯材料。而且相較于傳統化學氣相沉積法，以聚合物作為固體碳源制作成本更便宜、操作過程更簡單且碳沉積更輕松；以非金屬為催化劑則能夠大大降低獲取純碳材料的除雜難度。因此，開發其他以非金屬催化劑催化聚合物合成三維石墨烯材料的方法對促進石墨烯材料更好的發展具有積極意義。
④模板法
模板法是一種將石墨烯或氧化石墨烯衍生物結合到模板上并復制模板形狀以形成三維石墨烯結構的方法。模板是合成三維材料的形態決定劑，同時模板自身的性質也可被產物繼承。常用的模板法包括固體模板法和冰模板法。
模板法制備過程簡單，工藝條件溫和，形成的三維結構均勻、有序，但合成產物的結構取決于模板的結構，而某些具有特定結構的模板的制備尚存在一定難度。
⑤3D打印法
3D打印法是一種基于光固化和紙層疊等技術按照一定模型構筑三維空間結構的快速成型技術。不同于模板法，3D打印法中使用的模板是理論設想的、模擬的理想形貌，可用于打印的原料為具有合適粘性和觸變性的氧化石墨烯基或石墨烯基漿液。
3D打印法可通過調整模板的形貌和微觀結構實現對產物三維石墨烯材料形貌和結構的調控，是未來實現大規模制備三維石墨烯材料的前瞻性方法。但是，3D打印法也面臨著一些挑戰，包括具有合適粘性、觸變性原料的開發和如何保持石墨烯片層固有性能不被破壞等。
3、三維石墨烯的應用
三維石墨烯材料相較于單層石墨烯引入了豐富的不同尺寸大小的孔洞。這些孔洞的存在不僅可以減弱石墨烯片層團聚帶來的不利影響，而且能夠提升石墨烯材料的比表面積和孔隙率。此外，不同孔徑的孔洞在三維石墨烯材料的實際應用中能夠發揮不同的功能，如微孔能夠提供吸附和催化活性位點；介孔或中孔能夠提供準確的催化選擇性并減小粒子的擴散阻力；大孔能夠促進粒子/電子的遷移和擴散。因此，三維石墨烯材料在超級電容器、鋰離子電池、傳感器、環境修復等領域都表現良好的應用前景。
①超級電容器
超級電容器是一種介于傳統電容器和充電電池之間的可用于電化學能量存儲的新型裝置。超級電容器容量的高低取決于電極或電解液界面處靜電荷總量的多少。換言之，電極是決定超級電容器性能高低的核心部件。三維石墨烯材料因同時具備高表面積、高導電率、高載流子遷移速率和豐富的孔結構，在眾多超級電容器電極材料的候選者中展現出獨特的吸引力。很多研究學者也對三維石墨烯材料在超級電容器應用中的電化學性能進行了探究。許多研究表明，三維石墨烯材料可以應用于超級電容器領域，而且具有廣闊的發展前景。
②鋰離子電池
鋰離子電池具有自放電小、能量密度高和循環壽命長等優勢，具有廣闊的應用前景。石墨烯材料在鋰離子電池中的應用已經有很多研究成果，三維石墨烯材料對比二維石墨烯材料具有更大的活性物質負載量和更高的導電性，其多孔結構也給電極在電極反應過程中的離子轉移提供了通道，這兩者相結合，便大大提高了鋰離子電池的電化學性能。三維石墨烯的形式有多種，目前的三維石墨烯材料多是一種具有三維網絡結構的凝膠材料，這種三維凝膠結構具有孔隙結構發達，且密度低、熱導率小等優點。Wang等利用水熱還原法制備出三維石墨烯氣凝膠，構建了一種具有優異電化學性能的鋰離子負極材料，能夠有效改善石墨烯氣凝膠的電子傳輸和鋰離子擴散的通道。
③傳感器
傳感器是一種能感受（或響應）一種信息并變換成可測量信號的器件，而電化學傳感器則是由一個或多個能產生與被測組分某種化學性質相關電信號的敏感元件所構成的傳感器。電化學傳感器因生產成本低、操作簡便、免維護和低能耗、與微電子技術兼容、在低濃度下有高靈敏度和選擇性等特性及優勢，在自動過程控制、環境保護和控制及生物醫學等領域都有廣泛的應用，且在近些年受到越來越多的重視和關注。石墨烯由于獨特的二維結構特點具有良好的機械拉伸性和電子屬性，在電化學傳感器的應用中能表現出更快的響應速度和更高的靈敏度，而且易于固定蛋白質并保持其活性。所以，基于石墨烯的納米結構在電化學傳感器領域有廣闊的應用前景。尤其，三維石墨烯材料作為一種具有石墨烯的優良特性的多孔網絡結構，不但能夠為電子的快速轉移提供特殊的反應微環境和導電多路復合通道，還能促進離子的擴散與轉移，在電化學傳感器應用中表現潛在的應用價值。
④環境修復
三維結構的石墨烯擁有巨大的比表面積，因而能夠提供大量地活性吸附位點，其多孔結構具有較大的孔隙率，可以吸附的空間十分驚人。三維石墨烯材料具有良好的吸附能力，研究表明它是去除水中污染物的有效吸附和吸收材料，在處理石油泄露和水資源凈化方面有很大的應用潛力。
4、小結
隨著科技發展，新材料在我們的日常生活中無處不在，大到航空航天，小到我們的日常生活起居，新材料的出現在改變著我們的生活方式。作為新型材料，三維石墨烯擁有其他材料所不具備的特殊性能，在多個領域都展現出很好的應用效果。未來三維石墨烯能否真正實現廣泛的產業應用，值得期待。
參考來源：
1、余麗麗.一步碳化PEG200合成三維石墨烯材料及其電化學應用研究
2、袁家嬌.基于高彈性三維石墨烯的可壓縮鋰離子電池及其性能研究
3、張慧珍.基于模板法構筑三維石墨烯復合材料及其電化學儲鋰性能的研究
4、畢輝.三維石墨烯：決定未來科技發展趨勢的新材料之王
5、國家石墨烯產品質量檢驗檢測中心（廣東）網站
（中國粉體網編輯整理/文正）
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