3D石墨烯及其复合材料的应用研究

檀姗姗 赵兴明

摘 要： 三维石墨烯是通过对二维石墨烯在一定方法和手段整合的作用下获得的一种碳质材料，由于三维石墨及其复合材料其独特的结构形式促使其具有优越的性能，从而近年来被广泛推广和应用的新型材料。本文着重研究了三维石墨烯制备的方法，并对三维石墨烯及其复合材料的应用领域进行了详细研究。

关键词： 三维，石墨烯，复合材料，制备，应用领域

【中图分类号】 TB383 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2017）20-0065-01

0 概述

简单的说，石墨烯是一种碳质材料，它是由碳原子堆积而成的。一般情况下，我们所研究的石墨烯均为二维的材料[1]。目前，石墨烯由于其优越的性能，包括从石墨烯的电学性能、光学性能以及机械性能等方面都优越于其他材料。鉴于其优越的性能，石墨烯被广大研究者和专家所熟知并关注。通过统计研究表面，在当前的技术条件下，主要通過剥离法、化学气相沉淀法以及化学还原法等方法实现石墨烯的制备[2]。因此，在此基础上如果能够对当前二维石墨烯构建具有三维石墨烯结构组装体的整理和结合，对进一步扩大石墨烯的制备手段具有十分重要的意义。

三维石墨烯具备有二维石墨烯没有的特性，比如三维石墨烯具有较好的柔韧性和多孔性，具有高活性比的表面积以及具有优秀的传质性能。鉴于三维石墨烯的优越的性能，目前国内对三维石墨的研究和制备较以往更加活跃。目前制备三维石墨烯的方法主要有流动自组装法和模板合成法，而且采用此方法制备出的石墨烯具有微米和纳米的结构[3]。除此之外，在制备三维石墨烯的过程中加入一些功能性材料能够得到复合材料。实践证明。三维石墨烯及其复合材料不仅继承了二维石墨烯的优势，而且在储存能量、环保以及材料的柔韧性方面性能更优越，更具有长远的使用前景。

2 三维石墨烯的制备方法研究

三维石墨烯是在二维石墨烯的基础上制备完成的，具有独特的结构，即蜂窝状晶格结构[4]。总的来说，三维石墨烯是通过二维石墨烯整合而成的，具体制备方法阐述如下：

（1）定向流动组装法：采用多孔油膜实现对已经氧化了的石墨烯过滤，而后对过滤后的石墨烯进行还原；

（2）水热法：在对氧化后的石墨烯进行还原操作时，采用水热还原时，在二氧化碳和水的作用下是氧化了的石墨烯膨胀，进而得到三维石墨烯；

（3）模板界面组装法：这里所讲的模板为在氧化了的石墨烯溶液表面结的冰，在此模板上实现氧化石墨烯的组装，并在下一步实现氧化石墨烯的还原，进而形成三维石墨烯的薄膜；

（4）化学相沉淀法：此方法是以镍膜为模板实现的，石墨烯在甲烷高温的作用下获得，最后在盐酸或者三氯化铁的作用下获得三维石墨烯的泡沫。

通过对以上四种制备三维石墨烯的方法进行研究分析发现，三维石墨烯是在二维石墨烯的基础上获得，而且所得的三维石墨烯具有全新的性能。

3 三维石墨烯及其复合材料的应用研究

由于三维石墨烯优越于二维石墨烯的性能的原因以及三维石墨烯独特性能的原因，再加上复合材料的独特性能等因素使得三维石墨烯和复合材料广泛应用于各个领域，并扮演着不同的角色，主要应用于催化、传感器构筑、储存氢气、环境修复以及超级电容等领域[5]。具体说明如下：

3.1 在催化领域中的应用研究。

通过研究和实践表明，三维石墨烯其本身不仅就是很好的催化剂，而且它还可以作为催化剂的载体。三维石墨烯在催化剂领域的应用主要归功于其独特多孔贯通网状结构。其独特的结构不仅能够保证在较小动力的情况下实现例子的扩散，还可以为电荷的传导提供一定的传输通道。因此，三维石墨烯以及三维石墨烯的符合材料在催化领域得到了广泛的推广和应用，并已经取得了一定的成果。

3.2 在气体吸附领域中的应用研究。

这里所研究气体吸附领域主要指的是氢气。氢气作为未来世界中的清洁能源，其需求量随着不可再生资源不断的减少以及环保的要求越来越高会持续上升。在这些环境友好型能源的使用过程中，如何实现对该能源高效、安全的储存是当前迫切需要解决的问题之一。在不断的试验和研究的基础上，科学家发现碳纳米管和掺杂一些元素整合而成的三维符合材料可以很好的解决这个问题。

3.3 在传感器构筑领域中的应用研究。

同样，鉴于三维石墨烯独特的结构形式，使得三维石墨烯在传感器领域得到了广泛的推广和应用。在传感器构筑领域的应用主要取决于三维石墨烯比表面积大、独特的微观结构等。经过统计表明，应用于传感器构筑领域的材料主要有符合石墨烯气凝胶、石墨烯纸以及石墨烯修饰膜。

3.4 在环境保护领域的应用研究。

近年来，在社会高速发展过程中，人类对大自然造成了很大的伤害。就饮用水来说吧，由于前期只顾发展，而对有些地域的水质造成了严重的污染。为了保证人们可以健康的生活，需要对日常的饮用水进行处理。改进过后的三维石墨烯和复合材料可以实现对水资源的处理，可以高效将水中的有害物质移除掉。

3.5 在超级电容领域的应用研究。

超级电容也就是通常所说的电化学电容。目前，超级电容可以分为双电层电容器和虚拟电容器两大类。通过对实际应用电容使用情况的统计发现，电容普遍都有寿命短、成本高的缺点。但是，以碳基材料为基础制备的电容可以完美的解决这一问题，不仅稳定性好、成本低而且对环境无污染。

4 总结

目前，石墨烯作为一种可以应用于很多领域的碳质材料。其中，二维石墨烯经过一定方法和手段整合后可以得到三维石墨烯。三维石墨烯及其复合材料由于其独特的结构形式和形态不仅继承了二维石墨烯的优越性能，还具有二维石墨烯所没有性能。因此，三维石墨烯未来的宏观应用中具有可观的前景。

参考文献

[1] 石微微， 晏菲， 周国珺，等. 三维石墨烯材料制备方法的研究进展[J]. 化学通报， 2013， 76（11）：988-993.

[2] 张灵敏， 郭新立， 郝威，等. 三维石墨烯的水热法制备及其吸附性能研究[J]. 功能材料， 2014， 45（z2）：73-75.

[3] 郭东杰， 位自英， 李亚珂，等. 三维石墨烯-氧化镍纳米晶复合膜的电容性能[J]. 材料科学与工程学报， 2015， 33（5）：657-661.

[4] 陈春阳， 于飞， 周慧明，等. 三维石墨烯凝胶电极的制备及在电容去离子中的应用[J]. 高等学校化学学报， 2015， 36（12）：2516-2522.

[5] 孙丹， 侯朝霞， 王少洪，等. 三维石墨烯及其复合材料的研究进展[J]. 兵器材料科学与工程， 2015， 38（6）：114-120.