3D石墨烯及其復合材料的應用研究

檀姍姍 趙興明

摘 要： 三維石墨烯是通過對二維石墨烯在一定方法和手段整合的作用下獲得的一種碳質(zhì)材料，由于三維石墨及其復合材料其獨特的結(jié)構(gòu)形式促使其具有優(yōu)越的性能，從而近年來被廣泛推廣和應用的新型材料。本文著重研究了三維石墨烯制備的方法，并對三維石墨烯及其復合材料的應用領(lǐng)域進行了詳細研究。

關(guān)鍵詞： 三維，石墨烯，復合材料，制備，應用領(lǐng)域

【中圖分類號】 TB383 【文獻標識碼】 A【文章編號】 2236-1879（2017）20-0065-01

0 概述

簡單的說，石墨烯是一種碳質(zhì)材料，它是由碳原子堆積而成的。一般情況下，我們所研究的石墨烯均為二維的材料[1]。目前，石墨烯由于其優(yōu)越的性能，包括從石墨烯的電學性能、光學性能以及機械性能等方面都優(yōu)越于其他材料。鑒于其優(yōu)越的性能，石墨烯被廣大研究者和專家所熟知并關(guān)注。通過統(tǒng)計研究表面，在當前的技術(shù)條件下，主要通過剝離法、化學氣相沉淀法以及化學還原法等方法實現(xiàn)石墨烯的制備[2]。因此，在此基礎(chǔ)上如果能夠?qū)Ξ斍岸S石墨烯構(gòu)建具有三維石墨烯結(jié)構(gòu)組裝體的整理和結(jié)合，對進一步擴大石墨烯的制備手段具有十分重要的意義。

三維石墨烯具備有二維石墨烯沒有的特性，比如三維石墨烯具有較好的柔韌性和多孔性，具有高活性比的表面積以及具有優(yōu)秀的傳質(zhì)性能。鑒于三維石墨烯的優(yōu)越的性能，目前國內(nèi)對三維石墨的研究和制備較以往更加活躍。目前制備三維石墨烯的方法主要有流動自組裝法和模板合成法，而且采用此方法制備出的石墨烯具有微米和納米的結(jié)構(gòu)[3]。除此之外，在制備三維石墨烯的過程中加入一些功能性材料能夠得到復合材料。實踐證明。三維石墨烯及其復合材料不僅繼承了二維石墨烯的優(yōu)勢，而且在儲存能量、環(huán)保以及材料的柔韌性方面性能更優(yōu)越，更具有長遠的使用前景。

2 三維石墨烯的制備方法研究

三維石墨烯是在二維石墨烯的基礎(chǔ)上制備完成的，具有獨特的結(jié)構(gòu)，即蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)[4]。總的來說，三維石墨烯是通過二維石墨烯整合而成的，具體制備方法闡述如下：

（1）定向流動組裝法：采用多孔油膜實現(xiàn)對已經(jīng)氧化了的石墨烯過濾，而后對過濾后的石墨烯進行還原；

（2）水熱法：在對氧化后的石墨烯進行還原操作時，采用水熱還原時，在二氧化碳和水的作用下是氧化了的石墨烯膨脹，進而得到三維石墨烯；

（3）模板界面組裝法：這里所講的模板為在氧化了的石墨烯溶液表面結(jié)的冰，在此模板上實現(xiàn)氧化石墨烯的組裝，并在下一步實現(xiàn)氧化石墨烯的還原，進而形成三維石墨烯的薄膜；

（4）化學相沉淀法：此方法是以鎳膜為模板實現(xiàn)的，石墨烯在甲烷高溫的作用下獲得，最后在鹽酸或者三氯化鐵的作用下獲得三維石墨烯的泡沫。

通過對以上四種制備三維石墨烯的方法進行研究分析發(fā)現(xiàn)，三維石墨烯是在二維石墨烯的基礎(chǔ)上獲得，而且所得的三維石墨烯具有全新的性能。

3 三維石墨烯及其復合材料的應用研究

由于三維石墨烯優(yōu)越于二維石墨烯的性能的原因以及三維石墨烯獨特性能的原因，再加上復合材料的獨特性能等因素使得三維石墨烯和復合材料廣泛應用于各個領(lǐng)域，并扮演著不同的角色，主要應用于催化、傳感器構(gòu)筑、儲存氫氣、環(huán)境修復以及超級電容等領(lǐng)域[5]。具體說明如下：

3.1 在催化領(lǐng)域中的應用研究。

通過研究和實踐表明，三維石墨烯其本身不僅就是很好的催化劑，而且它還可以作為催化劑的載體。三維石墨烯在催化劑領(lǐng)域的應用主要歸功于其獨特多孔貫通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其獨特的結(jié)構(gòu)不僅能夠保證在較小動力的情況下實現(xiàn)例子的擴散，還可以為電荷的傳導提供一定的傳輸通道。因此，三維石墨烯以及三維石墨烯的符合材料在催化領(lǐng)域得到了廣泛的推廣和應用，并已經(jīng)取得了一定的成果。

3.2 在氣體吸附領(lǐng)域中的應用研究。

這里所研究氣體吸附領(lǐng)域主要指的是氫氣。氫氣作為未來世界中的清潔能源，其需求量隨著不可再生資源不斷的減少以及環(huán)保的要求越來越高會持續(xù)上升。在這些環(huán)境友好型能源的使用過程中，如何實現(xiàn)對該能源高效、安全的儲存是當前迫切需要解決的問題之一。在不斷的試驗和研究的基礎(chǔ)上，科學家發(fā)現(xiàn)碳納米管和摻雜一些元素整合而成的三維符合材料可以很好的解決這個問題。

3.3 在傳感器構(gòu)筑領(lǐng)域中的應用研究。

同樣，鑒于三維石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)形式，使得三維石墨烯在傳感器領(lǐng)域得到了廣泛的推廣和應用。在傳感器構(gòu)筑領(lǐng)域的應用主要取決于三維石墨烯比表面積大、獨特的微觀結(jié)構(gòu)等。經(jīng)過統(tǒng)計表明，應用于傳感器構(gòu)筑領(lǐng)域的材料主要有符合石墨烯氣凝膠、石墨烯紙以及石墨烯修飾膜。

3.4 在環(huán)境保護領(lǐng)域的應用研究。

近年來，在社會高速發(fā)展過程中，人類對大自然造成了很大的傷害。就飲用水來說吧，由于前期只顧發(fā)展，而對有些地域的水質(zhì)造成了嚴重的污染。為了保證人們可以健康的生活，需要對日常的飲用水進行處理。改進過后的三維石墨烯和復合材料可以實現(xiàn)對水資源的處理，可以高效將水中的有害物質(zhì)移除掉。

3.5 在超級電容領(lǐng)域的應用研究。

超級電容也就是通常所說的電化學電容。目前，超級電容可以分為雙電層電容器和虛擬電容器兩大類。通過對實際應用電容使用情況的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，電容普遍都有壽命短、成本高的缺點。但是，以碳基材料為基礎(chǔ)制備的電容可以完美的解決這一問題，不僅穩(wěn)定性好、成本低而且對環(huán)境無污染。

4 總結(jié)

目前，石墨烯作為一種可以應用于很多領(lǐng)域的碳質(zhì)材料。其中，二維石墨烯經(jīng)過一定方法和手段整合后可以得到三維石墨烯。三維石墨烯及其復合材料由于其獨特的結(jié)構(gòu)形式和形態(tài)不僅繼承了二維石墨烯的優(yōu)越性能，還具有二維石墨烯所沒有性能。因此，三維石墨烯未來的宏觀應用中具有可觀的前景。

參考文獻

[1] 石微微， 晏菲， 周國珺，等. 三維石墨烯材料制備方法的研究進展[J]. 化學通報， 2013， 76（11）：988-993.

[2] 張靈敏， 郭新立， 郝威，等. 三維石墨烯的水熱法制備及其吸附性能研究[J]. 功能材料， 2014， 45（z2）：73-75.

[3] 郭東杰， 位自英， 李亞珂，等. 三維石墨烯-氧化鎳納米晶復合膜的電容性能[J]. 材料科學與工程學報， 2015， 33（5）：657-661.

[4] 陳春陽， 于飛， 周慧明，等. 三維石墨烯凝膠電極的制備及在電容去離子中的應用[J]. 高等學校化學學報， 2015， 36（12）：2516-2522.

[5] 孫丹， 侯朝霞， 王少洪，等. 三維石墨烯及其復合材料的研究進展[J]. 兵器材料科學與工程， 2015， 38（6）：114-120.