3D打印石墨烯材料现存问题与制备意义

3D打印石墨烯材料仍存在很多问题，比如：抗压缩、抗弯曲等机械性能差、导电性不足、传质性能有待提高，限制了其在很多领域的实际应用。采用3D打印技术，设计并构筑高性能的三维石墨烯材料，对推动能源、环境和电子等领域的进一步发展具有重大的现实意义。

3D石墨烯气凝胶材料的制备方法

氧化石墨烯（GO）上的含氧官能团丰富，利用GO片材之间的相互作用将氧化石墨烯纳米片进行“自下而上”的自组装，是最常用的制备具有微观多孔结构的3D石墨烯气凝胶材料的方法之一。

3D石墨烯材料的关键特性

3D石墨烯材料的表面积和孔道连通性是两个非常重要的特性：大的表面积可以吸附更多的物质或负载更多的活性材料。好的孔道连通性则是让反应相关的物质更容易接近石墨烯内表面。

不同制备方法及优势

• 发泡剂辅助制备：利用发泡剂辅助可以制备具有多级孔的3D石墨烯材料，大孔小孔相互连接保证了大的表面积和非常好的孔道连通性。
• CVD石墨烯泡沫制备：CVD石墨烯泡沫可以通过在金属泡沫上进行CVD制备得到。CVD石墨烯泡沫孔径较大、孔壁较薄，和溶液法制备的3D石墨烯材料相比，具有更多的开放结构和相互连接的孔，且导电性更好。不过，CVD石墨烯泡沫成本较高。
• 聚合物模板制备：为了降低成本，可以用含有大孔的聚合物（例如聚氨酯）海绵作为模板，在表面涂上GO后经过后处理还原得到石墨烯泡沫。
• 定向微孔结构制备：和随机的微孔结构相比，定向的微孔结构可以赋予3D石墨烯材料更独特的功能。通过单向冷冻干燥的方法，可以得到以垂直冰晶为模板的具有平行孔道结构的3D石墨烯材料，这种平行通道的毛细作用可以更有效地去除液体中的污染物。

3D石墨烯材料的应用前景与优势

孔道结构可调、成本可控、导电性可调和适合大规模制备等诸多优点，在面向不同的应用场合时可以选择不同的制备方法制备3D石墨烯材料，这使得3D石墨烯材料具有非常广泛的应用前景。

• 电化学性能优势：3D石墨烯材料具有大的比表面积、连通的孔道结构、出色的导电性、强劲的机械性能和高的电化学稳定性，因此，3D石墨烯材料可以：支持3D空间中的快速电子传输；确保更快的离子扩散；为离子的吸附和解吸提供足够的空间；促进液体电解质的快速传质。在电池和超级电容器中，3D石墨烯材料具有高能量和高功率密度、出色的倍率能力和长期循环稳定性。
• 作为载体应用：此外，3D石墨烯材料还可以用作杂原子、功能聚合物、无机纳米结构以及其他重要的碳纳米材料的理想载体，应用于燃料电池、太阳能电池、光电化学分解水、氢存储以及将CO₂捕获并转化为清洁燃料和增值化学品等领域中。
• 环境治理应用：3D石墨烯材料大的比表面积和灵活可控的表面化学特性使其可用于快速去除水中的污染物。

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