世界經(jīng)濟(jì)與材料發(fā)展背景

世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展驅(qū)動工業(yè)和生活向智能化、自動化轉(zhuǎn)變，對電子產(chǎn)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(zhuǎn)化、新型電子器件以及環(huán)境治理技術(shù)的發(fā)展極為重要。碳材料是發(fā)展先進(jìn)能源、環(huán)境和電子系統(tǒng)的關(guān)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(dǎo)熱性；出色的力學(xué)性能（楊氏模量為1100GPa，斷裂強(qiáng)度為125GPa）；良好的化學(xué)穩(wěn)定性

二維石墨烯片間的強(qiáng)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(shí)極易發(fā)生不可逆團(tuán)聚，導(dǎo)致性能下降，難以將其優(yōu)良性能從二維微納尺度擴(kuò)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(luò)結(jié)構(gòu)可有效防止石墨烯的不可逆團(tuán)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(xué)性質(zhì)；較好的機(jī)械性能；優(yōu)異的導(dǎo)電性；連通的多孔結(jié)構(gòu)

這些優(yōu)異的特性使得三維石墨烯材料在以下領(lǐng)域具有優(yōu)勢：

• 能源相關(guān)領(lǐng)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(fù)載能力；三維空間中快速的電子傳輸和離子擴(kuò)散速度；為物質(zhì)在表面的吸附和解吸提供足夠的空間；出色的機(jī)械和電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。
• 環(huán)境領(lǐng)域：空氣、水體治理等。
• 電子器件領(lǐng)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(shí)現(xiàn)從納觀到宏觀多尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型，使其無法利用優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)一步提升性能，而且限制了其在很多高性能器件中應(yīng)用。

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

3D打印作為一種計(jì)算機(jī)輔助快速成型技術(shù)，可以通過圖形軟件進(jìn)行宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過后處理和復(fù)合墨水開發(fā)等方式構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)。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(yīng)用進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)的能力，使其在鋰離子電池、超級電容器和電催化等領(lǐng)域中的應(yīng)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(qū)動GO自組裝的方式包括水熱還原自組裝、離子誘導(dǎo)自組裝和直接化學(xué)還原自組裝等。

• 在水熱反應(yīng)過程中，氧化石墨烯可以成功實(shí)現(xiàn)自組裝，得到機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)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(jìn)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(shí)現(xiàn)石墨烯氣凝膠的制備。
• 自組裝的方法也可以實(shí)現(xiàn)石墨烯氣凝膠復(fù)合材料的制備，將GO和乙酸鐵分散液進(jìn)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(fù)合材料。

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