產學差距究竟有多大–#19.三維（3D）石墨烯有何特別之處嗎？

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2016-09-04

照理說，石墨烯被定義為：一種由碳原子以 sp2 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。但為何還有所謂的三維（3D）石墨烯呢？最近在一場演講中聽到全國納米技術標準化技術委員會秘書長指出：石墨烯是「結構」的總稱，而石墨烯「材料」包括：單層、雙層、多層及量子點等，這樣就可以擴大解釋三維（3D）石墨烯是屬於石墨烯「材料」，可以不用「結構」的角度去從嚴解讀。不過，每位學者都說自己的三維（3D）石墨烯具備：具有非常高的表面積，同時保有二維石墨烯之特性，其超輕薄、高導電性、卓越機械強度、柔韌性與彈性。這點我倒不以為然，除了比表面積的確比較高以外，其他表現都比二維（2D）石墨烯差很多。

石墨烯是具有蜂窩狀晶格結構的平面２Ｄ層狀材料。３Ｄ石墨烯則由２Ｄ石墨烯片整合而成，具有特定的３Ｄ微／納米結構。迄今為止，研究者已建立了製備３Ｄn石墨烯的多種方法，例如：

（１）定向流動組裝法：將氧化石墨烯（GO）溶液通過多孔膜抽濾後，用化學法對其進行還原得到無支載３Ｄ rGO 紙；
（２）溶劑／水熱法：如對 GO 薄膜進行水熱還原時，利用添加物質產生的 CO2 和 H2O 致使 rGO 的體積膨脹得到３Ｄ多孔材料；
（３）模板界面組裝法：如以 GO 溶液表面凝結的水滴為模板誘導 GO 自組裝，經後續乾燥及薄膜高溫分解促使 GO 熱還原，形成彈性疏水的３ＤnrGO 薄膜；
nn（４）化學氣相沉積法（CVD）：如以三維多孔鎳膜為模板，高溫分解甲烷生長石墨烯，用鹽酸或 FeCl3 蝕刻掉模板鎳得到具有貫穿式孔結構的三維石墨烯泡沫。

三維（3D）石墨烯通常是指具有３Ｄ結構的二維（2D）石墨烯組裝體，是近年來石墨烯化學領域的新型功能性材料。３Ｄ石墨烯材料還具有層壓式或多孔結構，在能量存儲、催化、環境修復、感測器和超級電容器等方面展現了獨特的性能，並有望作為柔性、可伸縮材料使用。在應用方面，３Ｄn石墨烯在高強度材料、高導熱材料方面的潛在應用有待於進一步拓展。目前對３Ｄ石墨烯的應用研究大多仍著眼於對小分子的檢測、生物感測器的製備、超級電容器、環境修復、儲氫方面，而３Ｄn石墨烯在製備高強度材料、高導熱、柔韌性材料方面的應用進展較慢。

nn目前仍少有具有納米尺度孔結構３Ｄ石墨烯的研究成果，但３Ｄ石墨烯材料的孔通常是在幾百納米到幾十微米之間。多孔結構增大了體積，但減弱了材料的機械性能。而３Ｄ石墨烯材料的製備大多仍以由機械剝離法、外延生長法、化學剝離法製備所得還原 rGO 及其功能化衍生物為原料，除直接複製模板結構外，３Ｄ石墨烯材料的微觀孔結構大多通過２Ｄ石墨烯整合過程中隨機出現或致孔產生，孔結構可控性及重複性差。因此，在寬孔徑範圍內實現３Ｄ石墨烯孔尺寸可控仍是難點。其次，如何有效防止石墨烯納米片在形成３Ｄ結構過程中的重新堆積、完好保持石墨烯片層性質仍是難點。另外，３Ｄ石墨烯材料的微觀結構有序控制技術仍有待於進一步提高。

那３Ｄ石墨烯在導電率的表現又如何呢？話不多說，直接列表給各位比較，某些學者還是喜歡掩蓋事實，只想把他想傳達給你的數據呈現，卻不見通盤去還原事實。

其實３Ｄ石墨烯的機械性能並不佳，像我們原本想以石墨烯氣凝膠做油水分離膜，後來就是因為吸附及機械性不滿意而改成「疏水親油」PP 紡紗替代。另外再跟各位說個事實，３Ｄ石墨烯不過是用「以數量換取空間」，沒甚麼特別之處！怎麼說呢？３Ｄ石墨烯可以看成很多二維（2D）石墨烯組裝體，若每層比表面積有個 500 m2╱g，那動輒超過 2000 m2╱g 也是正常的。不過，天生我材必有用，管他是不是石墨烯，只要能解決技術問題就是好東西，我還是看好３Ｄn石墨烯在檢測、生物感測器的製備、超級電容器、環境修復、儲氫方面的應用研究。