作者：利亞姆·克里奇利（Liam Critchley）（化學和納米技術(shù)作家）
石墨烯于 2004 年由諾貝爾獎獲得者安德烈·海姆 (Andre Geim) 和康斯坦丁·諾沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov) 首次剝離出來，因其二維 (2D) 的奇妙特性而引起了全球的興趣。曼徹斯特大學的這些研究人員著名地使用透明膠帶獲得石墨的單原子層，這是由范德華力將數(shù)千（或數(shù)百）萬石墨烯原子層結(jié)合在一起。雖然石墨很普通，但二維石墨烯可能是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最令人興奮的實用材料。
“石墨烯”一詞目前用于描述一系列材料，從通過化學氣相沉積 (CVD) 生產(chǎn)的單層石墨烯到納米顆粒粉末形式的多層石墨烯，再到大而薄且?guī)缀鯚o缺陷 (LTDF) 的薄片。甚至氧化石墨烯（GO）、還原氧化石墨烯（rGO）和納米片也被稱為“石墨烯”。
一種名為“3D石墨烯”的新材料出現(xiàn)了。如果你問這是否矛盾，這是情有可原的，因為石墨烯的奇妙特性是由于其二維結(jié)構(gòu)而成為可能的。畢竟，石墨不是3D石墨烯嗎？
什么是二維石墨烯？
描述性的“2D”并非源自石墨烯占據(jù)的空間維度。相反，它源自石墨烯每個碳原子一個自由電子的產(chǎn)生方式。二維石墨烯的奇妙特性發(fā)生在每個原子的表面，因為在每個石墨烯原子層中，電子被限制在一維（層之間），但電子可以在二維（穿過石墨烯的二維）自由移動層。因此，石墨烯是一種二維材料。
自由電子的這種排序使得高質(zhì)量石墨烯能夠以接近光速的速度傳輸電力。出于同樣的原因，它可以實現(xiàn)高效的熱和冷傳輸。當 LTDF 石墨烯薄片排列成平面結(jié)構(gòu)時，它們的強度比鋼強 200 倍。
什么是3D石墨烯？
3D 石墨烯沒有單一的定義，因為各個研究人員和公司都根據(jù)自己的需求對其進行了定義。雖然 3D 石墨烯材料確實各不相同，但共同點是它們包含形成 3D 網(wǎng)絡的互連石墨烯層。因此，在這種情況下，術(shù)語“3D”指的是空間排列。
不同形狀因素的不同石墨烯材料可用于創(chuàng)建 3D 石墨烯結(jié)構(gòu)，包括“皺褶”和“扭曲”石墨烯、CVD 石墨烯片或石墨烯薄片。無論石墨烯類型如何，不同的石墨烯層都連接形成 3D 網(wǎng)絡，可用于創(chuàng)建 3D 宏觀結(jié)構(gòu)，例如石墨烯泡沫、石墨烯氣凝膠和石墨烯水凝膠。
形成 3D 網(wǎng)絡的能力為石墨烯開辟了新的應用領域。這些石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)包含互連的 3D 多孔網(wǎng)絡，與使用平面石墨烯層相比，可以通過不同的方式利用石墨烯層的輕質(zhì)、機械和導電特性。例如，蘇格蘭公司 Integrated Graphene 直接在不同的表面上生長 3D 支架（名為 Gii TM）。
3D 石墨烯中的孔往往被明確界定在納米范圍內(nèi)，孔壁由互連的石墨烯層的薄層組成。制造 3D 石墨烯的方法有多種，其中最常見的是模板輔助方法和基于溶液的方法。在過去的幾年里，石墨烯網(wǎng)絡已經(jīng)由各種石墨烯材料制成，包括 CVD 石墨烯、石墨烯粉末和氧化石墨烯材料。幾乎不言而喻，形成的 3D 石墨烯的特性會根據(jù)所使用的石墨烯類型而有所不同。
3D石墨烯的互連網(wǎng)絡由于其高彈性和互連的孔隙網(wǎng)絡以及超高的表面積而確實具有有用的特性。對于許多應用來說，正在利用的是孔隙網(wǎng)絡。3D 石墨烯材料當然比其他納米級和微米級多孔材料更輕。事實上，石墨烯氣凝膠是現(xiàn)有最輕的固體材料之一。
在使用“皺褶”CVD 石墨烯片制造 3D 結(jié)構(gòu)方面，Lyten 似乎是領先者，其材料被稱為“Lyten 3D 石墨烯”。從現(xiàn)有文獻來看，Lyten 似乎可以壓皺石墨烯片以增加活性位點的數(shù)量，從而使暴露的表面與其他材料發(fā)生反應。
2D 和 3D 石墨烯有何不同
由于2D和3D石墨烯具有不同的宏觀結(jié)構(gòu)排列，因此在性能上存在一些差異，尤其是結(jié)構(gòu)性能。3D 石墨烯的機械性能與 2D 石墨烯有很大不同。雖然尚未發(fā)現(xiàn)明確的研究，但報告表明 3D 石墨烯的拉伸強度明顯低于 LTDF 石墨烯薄片等。同樣，雖然 3D 石墨烯網(wǎng)絡的導電性和載流子遷移率優(yōu)于石墨，但它們的導電性遠低于 2D LTDF 石墨烯薄片。雖然估計有所不同，但據(jù)報道，3D 石墨烯的電導率為 0.1 – 1 MS/m，而 LTDF 石墨烯的電導率高達 100 MS/m，這意味著 LTDF 2D 石墨烯的電導率是 3D 石墨烯的 100 至 1,000 倍。
3D 石墨烯會受到范德華力的影響嗎？
與 2D 石墨烯一樣，范德華力在 3D 石墨烯材料中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而 3D 石墨烯使用石墨烯薄片/片的方式與 2D 石墨烯非常相似。但對整體材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響存在一些差異。在 2D 石墨烯中，范德華力用于將各層保持在彼此之上，但當涉及 3D 石墨烯時，各個石墨烯層使用范德華力互連成 3D 網(wǎng)絡。π-π 堆積和氫鍵（如果是 GO）也在形成網(wǎng)絡中發(fā)揮作用，但范德華力是 3D 石墨烯網(wǎng)絡保持剛性、多孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵驅(qū)動力。
3D石墨烯的應用領域
LTDF 石墨烯薄片可用作數(shù)千種產(chǎn)品中的添加劑材料。雖然 3D 石墨烯保留了 2D LTDF 石墨烯的一些有限性能和特征，但其多孔性質(zhì)使其能夠圍繞離子/分子吸收和解吸進行一系列應用。
文獻中引用的許多（也許大多數(shù)）應用都使用一種或另一種形式的 3D 石墨烯作為超級電容器和電池中的粘合劑材料。人們對金屬空氣電池（鋰空氣、鋅空氣、鋁空氣和鈉空氣）很感興趣，大概是因為 3D 石墨烯網(wǎng)絡具有更多的活性催化位點。這提高了陰極的催化活性并提高了電池的整體能量密度。Lyten 還一直將其應用開發(fā)重點放在商業(yè)化程度較低的領域，并一直在使用 3D 石墨烯來制造電動汽車的 Li-S（鋰硫）電池組。人們對使用 3D 石墨烯材料作為生物燃料電池中的電極基底也越來越感興趣，因為它具有更高的表面積用于細菌定殖或生物催化固定。
另一個應用領域是熱電裝置，即將熱能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。理想的熱電材料應具有金屬的導電性、絕緣體的塞貝克系數(shù)（響應溫差的熱電電壓）以及低的導熱性（如半導體的導熱性）。3D石墨烯具有較高的塞貝克系數(shù)、良好的導電性和較低的導熱性（比2D石墨烯低兩個數(shù)量級）。這些特性可實現(xiàn)良好的熱電性能，因為孔隙會中斷聲子傳輸，但不會干擾電子傳輸，從而可以收集熱量并將其轉(zhuǎn)化為電能，因為聲子的中斷會在材料中產(chǎn)生溫差。
生化傳感是3D石墨烯的另一個關(guān)鍵應用領域，也是Integrated Graphene及其3D石墨烯傳感器產(chǎn)品Gii-Sens TM商業(yè)化的目標領域。3D 石墨烯可功能化以檢測肽、纖維素分子、活細胞、腫瘤細胞和癌細胞。主要原因是 3D 石墨烯的高表面積允許更多的酶/催化活性，并且許多受體可以在材料中功能化。特別是對于癌細胞來說，低熱導率和電化學活性表面是有利的，因為高熱導率使得使用溫度來區(qū)分癌細胞和健康細胞變得困難。在生物技術(shù)領域，3D 石墨烯作為組織和骨再生應用的生物相容性支架也引起了人們的興趣，因為多孔網(wǎng)絡為細胞從周圍組織增殖并融入周圍組織提供了良好的平臺。
總體而言，3D 石墨烯是傳統(tǒng)石墨烯材料的相鄰擴展，許多 3D 石墨烯材料由傳統(tǒng) 2D 石墨烯層的互連網(wǎng)絡組成。它們在許多應用領域具有潛力，特別是由于它們的多孔性質(zhì)，但對于大多數(shù)材料來說，它們賦予其他材料的核心宏觀性能通常遠遠低于 LTDF 2D 石墨烯。一旦工業(yè)量的 LTDF 石墨烯薄片得到廣泛應用，看看哪些利基用途繼續(xù)使用 3D 石墨烯將會很有趣。
3D 石墨烯的 SEM 視圖。
https://www.researchgate.net/figure/SEM-view-of-3D-graphene-Theshape-of-grown-3D-graphene-was-observed-via-SEM-The-EDX-on_fig2_311097670
參考：
https://www.chemengonline.com/graphene/
https://lyteabout:blankn.com/3d-graphene/
