摘要：石墨烯，这种开创性的二维（2D）材料，因其卓越的特性在多个领域引起了广泛关注。然而，二维石墨烯片层倾向于重新堆叠或聚集，这会降低其性能和活性表面积。为克服这些局限性并拓展石墨烯的潜在应用，研究人员开发了具有多样化结构的三维（3D）石墨烯结构，包括3D石墨烯纤维

1成果简介

石墨烯，这种开创性的二维（2D）材料，因其卓越的特性在多个领域引起了广泛关注。然而，二维石墨烯片层倾向于重新堆叠或聚集，这会降低其性能和活性表面积。为克服这些局限性并拓展石墨烯的潜在应用，研究人员开发了具有多样化结构的三维（3D）石墨烯结构，包括3D石墨烯纤维、泡沫、气凝胶、水凝胶、管状结构和笼状结构。这些结构通过功能化、掺杂、预插层和复合等改性手段，可防止堆叠并增强特定性能以满足目标应用需求。

3D石墨烯的高比表面积、机械稳定性、轻质特性及丰富的活性位点，使其成为需要优异光学性能、热导率、电导率和结构稳定性应用的理想选择。此外，其独特架构和化学改性可促进电子、离子及质量的高效传输。这使3D石墨烯在电池、太阳能电池、超级电容器、水分解和太阳能脱盐等领域具有广泛应用潜力。

尽管取得了这些进展，但仍需进一步改进以提升3D石墨烯的商业可行性和适应性。深入理解合成技术和化学修饰对其性能的影响至关重要，因为当前知识仍存在局限性。在从2D石墨烯或聚合物向3D石墨烯过渡过程中，实现对其性能的精确控制仍是一项重大挑战。此外，尽管石墨烯价格近年来有所下降，但与替代材料相比仍相对昂贵，且在保持高质量的同时扩大生产规模仍是一大障碍。

本文，韩国研究院Ji-Hyun Jang等研究人员在《Acc. Mater. Res》期刊发表名为“3D Graphene for Energy Technologies: Chemical Strategies and Industrial Challenges”的综述，对3D石墨烯的各种合成方法和化学改性进行了全面分析，强调其在能源存储、能源转换和环境应用中的变革潜力。我们探讨了多种化学策略，包括结构单元操控、预插层、掺杂、复合、功能化及合成方法，并分析其对不同应用的影响。通过梳理3D石墨烯研究的最新进展并探讨阻碍其商业化应用的挑战，我们旨在强调其在材料科学与工程领域中的重要性，以及其发展与应用过程中仍需克服的关键难题。

图1.报告概述：潜力、现有策略和挑战

本报告通过探讨合成、当前应用及未来潜力等方面的挑战与解决方案，填补了能源存储与转换技术领域的空白，如图1所示。报告深入分析了通过多种策略对3D石墨烯进行化学改性的方法，包括通过调整构建单元以适应特定应用的结构改性、预插层、掺杂、复合、功能化及合成等技术。这些改性方法在多个技术领域中得到讨论，为这种创新材料的整体发展态势提供了全面概述。本报告重点关注能源存储应用，包括超级电容器、锌基混合电容器，以及3D石墨烯在锌离子电池正极和负极中的应用。在能源转换领域，我们强调其在水分解、染料敏化太阳能电池（DSSCs）和太阳能脱盐中的作用。本综述还突出了该新兴材料面临的关键工业挑战、潜在解决方案以及未来发展预期。

文献：

来源：材料分析与应用

来源：石墨烯联盟