三维石墨烯基材料的制备、结构与性能

石墨烯具有单层碳原子组成的六方晶系晶体结构及独特的电学、化学、力学和热学性质。然而,由于石墨烯片层之间较强的π-π键和范德华力,导致易团聚或堆积,使其比表面积大幅减小,严重损害其性能。解决上述问题的最有效方法之一是构建具有多孔结构的三维石墨烯基材料,不仅保留了石墨烯优秀的导电性能和力学性能等本征特性,而且获得密度低、比表面积大、孔隙率高等结构优点,进而满足吸附剂、催化剂载体、生物传感器及电池与超级电容器电极材料等先进功能材料领域的应用需要。因此,开发三维石墨烯基材料的先进制备方法成为本领域研究的热点方向。本文综述了三维石墨烯基材料的现有制备方法,包括自组装法(水热还原法、化学还原法及冷冻干燥法)、模板法(胶体模板法、模板辅助化学气相沉积法及模板辅助水热还原法)和3D打印法(直写成型法、喷墨打印法、熔融沉积成型法、光固化成型法、选区激光烧结法及选区激光熔融法),总结了上述方法的优点及当前存在的主要问题,并且对三维石墨烯基材料制备技术的发展方向进行了展望。     

CVD 法制备三维石墨烯的电化学储能性能

维石墨烯是由二维石墨烯构成的三维网络结构,多孔的网络结构赋予了三维石墨烯超大的比表面积、超高的机械强度以及优异的电子传输通道. 因其优异的性能,三维石墨烯及其复合材料已经广泛地应用于能源、化学和生物等研究领域. 在三维石墨烯的合成方法中,化学气相沉积法由于制备的三维石墨烯具有高纯度、良好结晶性和优异的机械性能而备受推崇. 本文结合当前研究热点,综述了化学气相沉积法制备三维石墨烯及其复合材料在电化学储能领域（铝电池、锂离子电池、锂-硫电池、钠离子电池、金属-空气电池、超级电容器）中的应用,并简要评述当前化学气相沉积法制备三维石墨烯在应用中所面临的挑战及发展前景.     

生物质羟基磷灰石作为模板制备三维石墨烯（英文）

三维石墨烯(3DG)被广泛研究用于能量存储和转换器件中的导电框架材料。化学气相沉积(CVD)是制备品质三维石墨烯的重要方法,其中选择合适的模板材料对于调控石墨烯形貌和成本至关重要。在此,本文使用牛骨灰这一廉价易得的生物废弃物作为CVD模板,制备了高品质三维石墨烯。这种三维石墨烯表现出"双连续"的微观结构,即石墨烯框架及其空隙均是连续的,因而可以作为导电框架材料用于电化学储能器件。我们将硫均匀负载于三维石墨烯作为高性能锂-硫电池的正极材料,其在高倍率(2C)下具有约550 mAh·g~(-1)的高比容量。此外,将牛骨灰模板蚀刻后所得溶液可作为原料用于磷酸生产,实现了高的原子利用率。这一工作将石墨烯制备与成熟的磷化工产业结合,发展了一种低成本、高原子经济性地制备三维石墨烯的新途径。     

三维石墨烯材料制备方法的研究进展

石墨烯是由单层碳原子组成的新型二维碳纳米材料,因其众多独特而优异的理化特性,已成为近年来材料科学领域中最耀眼的明星材料。整合二维(2D)石墨烯形成具有微纳米结构的三维(3D)石墨烯材料,可有效调控石墨烯的电学、光学、化学、机械和催化特性。近期研究发现,基于3D石墨烯构建的功能器件在储能、环境、传感及生物分析领域表现出更为突出的性能。因而,制备新型3D石墨烯材料已成为当前石墨烯化学的研究热点。目前3D石墨烯材料的制备方法主要包括溶液自组装、界面自组装、模板介导合成法等。通过改变原材料或制备方法,可以有效调控3D石墨烯柔韧性、多孔性、活性面积、电子传递速度及传质等性能。本文介绍了当前3D石墨烯材料制备方法的研究进展,并简要评述3D石墨烯材料制备研究中所面临的挑战及应用前景。     

激光诱导三维网状石墨烯的一步法制备及应用

三维多孔石墨烯作为一种优异的石墨烯碳材料, 其独特的多孔结构使得材料在具有较大比表面积的同时还保持着足够高的电子迁移率和机械稳定性, 在电子器件中得到了广泛的应用. 本文介绍的激光诱导石墨烯是一种以一步法直接制备得到的三维网状石墨烯材料, 该技术将三维石墨烯的制备和图案化相结合, 无需进行湿化学反应处理, 制作方法更简便, 材料性能更优异. 目前研究主要集中在通过掺杂提高性能和利用转移法实现不同基底器件的制备. 激光诱导石墨烯自身特有的属性如多孔微纳米结构和大的比表面积等使其在超级电容器和传感器等领域拥有较高的应用价值.     

石墨烯的三维组装及其应用

石墨烯是一种具有独特的物理和化学性质的二维碳材料。将石墨烯进行三维组装可以实现纳米材料内嵌到宏观器件中,从而可拓宽石墨烯的应用范围。本文通过对近几年发表的有关石墨烯三维组装文章的分析,概括了几种制备石墨烯三维结构的方法,并阐述了其在能源、环境、生物、催化、传感器以及电子器件等方面的应用。最后对石墨烯的三维组装进行了小结和展望。     

基于石墨烯的材料化学进展

阐述了石墨烯材料化学的最新研究进展,主要包括石墨烯的化学制备、表面修饰及基于石墨烯的复合材料。 在基于石墨烯的纳米复合材料方面,着重介绍了石墨烯与有机高聚物、无机纳米粒子以及其它碳基材料的复合物,同时展望了这些材料在相关领域中的应用前景。     

石墨烯化聚合物:一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子能源材料

近年来,用于电化学能源存储和转化的石墨烯材料,得到了研究者们越来越多的关注。但是,这些石墨烯材料不同于严格定义的单原子碳层结构,往往具有孔洞、杂原子和化学官能团等缺陷结构。由于制备方法的不同,缺陷结构各不相同,其电化学性能也表现各异。结构分析表明,这类材料是由类似石墨烯片段的单元与聚合物链共价连接而成,使其具有石墨烯和聚合物的双重特性,我们称之为石墨烯化聚合物。由小分子通过自下而上的方法制备的多孔聚合物,也可以通过进一步热交联等方法,使其形成包含石墨烯片段单元与聚合物链的化学结构。这些材料与石墨烯衍生材料一起组成了石墨烯化聚合物的整个谱系;这个谱系涵盖了由聚合物到石墨烯的过渡区。更重要的是,这类材料特殊的结构与性质,使其成为一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子材料,非常适合作为电极材料应用于电化学能源存储和转化,这为我们深入研究储能器件中电极材料的结构与性能的相关关系提供了很好的材料平台。     

石墨烯晶圆的制备：从高品质到规模化

石墨烯晶圆是引领未来的战略材料,在集成电路、微机电系统和传感器等领域具有广阔的应用前景。实现石墨烯晶圆广泛应用的前提是高品质材料的规模化制备。可控性高、工艺兼容性强、成本低的化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法,是高品质石墨烯晶圆规模化制备的首选方法。本文将综述石墨烯晶圆的CVD制备进展：首先探讨石墨烯晶圆的制备需求,从实用牵引和应用场景出发,提出石墨烯晶圆的制备品质等级;随后重点介绍石墨烯的晶圆级制备方法和石墨烯晶圆材料的规模化制备技术;最后,对石墨烯晶圆可行的制备路线进行总结,并展望未来可能的发展方向。     

纳米碳材料在可穿戴柔性导电材料中的应用研究进展

可穿戴设备的兴起使得对柔性器件的需求日益提高,柔性导电材料作为可穿戴器件的重要组成部分而成为研究的热点。传统的电极材料主要是金属,因金属材料本身不具有柔性,一般通过降低金属层厚度以及设计波纹结构等策略实现其在柔性器件中的应用,其加工程序复杂,成本较高。以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料兼具良好的柔性和优异的导电性,且具有化学稳定、热稳定、光学透明性等优点,在柔性导电材料领域展现了极大的应用潜力。本文简要综述了近年来纳米碳材料在柔性导电材料领域的研究进展,首先介绍了碳纳米管基柔性导电材料,分别包括基于碳纳米管水平阵列、碳纳米管垂直阵列、碳纳米管薄膜、碳纳米管纤维的柔性导电材料;继而介绍了石墨烯基柔性导电材料,包括基于剥离法制备的石墨烯和化学气相沉积法制备的石墨烯以及石墨烯纤维基柔性导电材料;并简述了碳纳米管/石墨烯复合柔性导电材料;最后论述了纳米碳材料基柔性导电材料所面临的挑战并展望了其未来发展方向。