一、引言

石墨烯气凝胶，也是世界上最轻的材料，这两年也逐渐走入科学家的视线。相比于其优异的导电性，有趣的超弹性，大比表面积，亲油防火，超高孔隙率等一系列性能，其最大的意义在于石墨烯的三维结构的实现并赋予了它一系列优异的性能。石墨烯是典型的二维材料，也有是有一个原子层或者几个原子层厚的平面材料，也实现石墨烯宏观三维结构的搭接一直是研究的热点。这也就了石墨烯海绵（Graphene Sponges）、石墨烯泡沫（Graphene Foams）、石墨烯气凝胶（Graphene Aerogels）以及石墨烯宏观体（GrapheneMonoliths）等一系列名词的出现。而这众多的石墨烯三维结构的实现一般离不开三大类方法：模板法、非模板法和3D打印法。

1.   模板法

模板法就是使用一个模板，然后通过石墨烯在模板上生长（CVD）然后再把模板刻蚀掉来实现。下两图分别为成会明院士2011年在泡沫金属镍上CVD生长石墨烯后再用FeCl3/HCl将泡沫镍模板刻蚀掉来得到石墨烯泡沫（Nature Materials,2011, 10, 424-428）和北京大学黄富强教授在SiO2气凝胶上CVD生长石墨烯三维结构，再用HF刻蚀掉原来模板得到石墨烯三维结构（AdvancedMaterials, 2015, 27(39)）。

模板法总结：贵，难以大尺度生产。由于整体通过CVD法得到，难以摆脱高温，高密闭性以及受炉尺寸限制无法大尺度生产的劣势。优势也十分明显，由于是CVD法生长的precise graphene，石墨烯的各项优异性能都得到最大限度的保留。

2.   非模板法

非模板法，其实算是冰模板法，主要也就是指石墨烯气凝胶的制备方法。石墨烯气凝胶的制备原理是用氧化石墨烯（GO）作为前驱体，通过GO片层的组装搭接成三维网状结构，然后再还原得到石墨烯气凝胶结构。总的过程一般如下图所示，将GO溶液冰冻，在冰晶的生长过程使GO片层定向规律排布，再冷冻干燥得到氧化石墨烯三维结构，最后热处理还原得到石墨烯气凝胶。图片源于莫纳什李丹教授（NatureCommunications, 2012, DOI:10.1038/ncomms2251）

 非模板法总结:石墨烯气凝胶的制备中由于使用GO作为前驱体，成本大幅降低，但缺点也十分明确，由GO还原得到的chemicalconverted graphene或者说是chemical reduced graphene不是真正意义上的石墨烯，片层间容易存在各种缺陷堆叠等，使得石墨烯的各项优异性能（如导电性）显著降低，但也不失为工业应用的一大选择。

3.   3D打印法

3D打印技术应用到石墨烯三维结构构建在2015年得以提出。LawrenceLivemoreNational Lab的Marcus A. Worsley（Naturecommunications, 2015, DOI: 10.1038/ncomms7962）和美国西北大学Ramille N. Shah（ACS Nano, 2015,9:4636-4648）分别在GO溶液中掺杂以硅粉和高分子的方法提高GO溶液粘度3D打印出石墨烯三维结构。

3D打印法总结：最大的优点在于微观结构的精确控制，这是相比上两种方法最大的优点，而由于硅粉或者高分子的存在或者刻蚀，这不是真正意义上的石墨烯3D打印。

二、 应用

石墨烯三维结构三维结构的实现也让他们在水处理，催化剂，隔热，微控驱动，电学器件，传感等各个方向存在潜在应用。但真正接近工业级的几乎没有，最大的原因还是太贵。

1.   水处理

石墨烯气凝胶有很好的亲油性，而且由于其超弹性和多孔性，可用于海洋费油处理等。超低的密度赋予了它单克吸附油品高达几百克的优异性能，而且后续无论是通过挤压或者燃烧除去油品，整个气凝胶结构保持完好使其能够可持续使用。图片源于（JMCA, 2014,2,2934-2941）

2.   催化剂载体

上海交大的冯新亮教授通过在气凝胶中负载上四氧化三铁纳米粒子，最后发现负载上四氧化三铁纳米粒子的气凝胶的催化剂性能优于单纯的四氧化三铁纳米粒子，这其实是可以预见的（JACS, 2012, 134: 9082-9085）。因为气凝胶材料的多孔性（>99%）和大比较面积，当催化剂颗粒均匀负载在气凝胶上时，实际参与反应的催化剂与反应物的接触面积是大于单纯的纳米颗粒的。气凝胶的作用相当于纳米颗粒从堆叠的变为分散的。也就是说气凝胶可以很好的作为催化剂的一种载体或者说是固定剂。

3.   传感器

长春应用化学所陈卫研究员提出了基于石墨烯气凝胶载体的SnO2颗粒用于空气中NO2气体监测的应用（Analytical Chemistry,2015, 87,1638-1645）。原理如下：SnO2（半导体）在还原性气体氛围下导电性增加，在氧化性气体氛围下导电性减弱，但目前SnO2的一些缺点限制了其应用，例如室温下导电性差，基于SnO2的气体传感器工作温度高（H2：170-200℃，CO: 200℃），合成过程中SnO2容易团聚导致性能降低等。而利用石墨烯气凝胶作为载体，然后负载上SnO2颗粒后几乎完美地解决了这些问题，首先导电性得到很大提高，其次阻止了其团聚，连工作温度都下降到了50℃，使得在常温下应用成为可能。这其中也是利用了石墨烯气凝胶具有较好的导电性。

本文为科创帮（www.kechuangbang.com）微信公众平台投稿文章，原创作者：俞炜康。

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