合成和3D纳米石墨烯材料的功能化：石墨烯气凝胶和石墨烯宏组件

由于石墨烯的在2004年的隔离，在利用其独特的性能¹兴趣已经导致朝向组装石墨烯强烈的努力成保持单个的石墨烯片的特性的立体感，整体结构^。2-5这些努力受到阻碍的事实上，石墨烯本身是昂贵的和耗时的，以产生并倾向于聚集在溶液中，这限制了基于石墨烯积木材料的可伸缩性。另外，石墨烯组件典型地包括单个的石墨烯片材之间的物理交联的互动（例如，范德华力），这是更导电的和比化学键交联机械坚固的。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室曾参与新型多孔，低密度的碳材料的开发，因为20世纪80年代^。6几种策略已经确定制作质量，机生产线从两个低成本聚合物衍生的碳泡沫材料，这是所谓的石墨烯气凝胶（气^），7以及通过直接交联的石墨烯氧化物的（GO）片，埚基于石墨烯的单片散装材料被称为石墨烯宏观组件^{（GMAS）。8,9-}这些超高表面积散装材料具有高电导率和热导，优异的机械强度和弹性，以及可调孔隙形态。气体和GMAS发现实用程序在许多应用中，包括在超级电容器的电极材料和可再充电电池，先进的催化剂载体，吸附剂，热绝缘，传感器和脱盐^。10

石墨烯气凝胶的合成与间苯二酚和甲醛的水溶液溶胶 – 凝胶聚合开始产生高度交联的有机凝胶。这些凝胶用水和丙酮洗涤，然后干燥使用超临界_的 CO 2和热解中的inert气氛，得到碳气凝胶具有相对低的表面积和孔体积。碳气凝胶是由控制除去温和氧化条件下碳原子的活化（例如，CO _2），以形成无定形碳和石墨纳米片组成的交联材料，具有较高的表面积，开放的孔结构^。7的一个独特的优点溶胶 – 凝胶合成的是，气体可以被制造成各种形式，包括整料和薄膜，这取决于应用的需要。碳纳米管^11和/或石墨烯片¹²可以通过包括这些添加剂中的溶胶-凝胶前体溶液被整合到气体。这产生在其中添加剂成为主碳网络结构的一部分的复合结构。此外，遗传算法的框架可以官能碳化/活化之后或者通过气凝胶表面的修饰或通过材料的沉积，例如催化剂纳米颗粒，上框架结构¹³

石墨烯宏组件（GMAS）由制备直接交联悬浮石墨烯氧化物（GO）片，利用其固有的化学功能方面具有优势^。9 GO片含有多种官能团，包括环氧化物和氢氧化物的部分，可以作为化学交联位点。正如GA准备，组装GMAS是超临界干燥，保持多孔网络，再热解，以减少化学交联成提供的组装结构支撑导电碳桥梁。由于石墨烯片之间的共价碳桥，GMAS具有电导率和机械刚度是幅度比与物理交联形成的石墨烯组件更高的数量级。此外，GMAS具有接近单个石墨烯片的理论值的表面区域。后期合成热牛逼reatment在升高的温度（> 1050℃）能显著改善GMAS的结晶，导致甚至更高的传导性和杨氏模量以及更好的耐热氧化性。GMAS ¹⁴后合成的化学治疗与氧化还原活性的有机分子，如蒽醌可以增强电荷存储容量在超级电容器的应用^。15

气体和GMAS的可调材料性质，部分的仔细改变合成条件，如试剂和催化剂浓度，固化时间和温度，干燥条件，和碳化/活化处理的结果^。16此细节视频协议旨在解决歧义在公开的方法，并引导研究者试图再现材料和条件。