基於二維石墨烯構建具有特定三維結構的石墨烯組裝體，進而製備性能優異的功能器件對於拓展石墨烯的宏觀應用具有重要意義。石墨烯組裝體及其複合材料具備石墨烯固有的性質，在能量儲存、催化反應、環境保護及柔性/可伸縮導電材料等方面具有廣闊的應用前景。

1、鋰離子電池

現代電子設備諸如移動通訊設備和電動汽車等蓬勃發展，這就需要尋找高性能電池。鋰離子電池具有能量密度高、使用壽命長、質量輕等優勢，有很好的應用前景。電極材料的選擇對鋰離子電池的循環壽命、比容量等性能起決定作用。石墨烯的導電性能強、化學穩定性好，具有較大的比表面積等，因此被廣泛應用於鋰離子電池。石墨烯在使用過程中也存在一些缺點，比如實際容量低於理論容量等，限制了鋰離子電池高能量的輸出。與石墨烯相比，組裝體石墨烯表面積更大、導電率更高，也可作為電極材料之一。為了優化鋰離子電池的性能，石墨烯組裝體複合材料應運而生。

石墨烯使用過程中的團聚現象，納米粒子如Sn、Bi2O3 等在用作鋰離子電池陽極材料時產生的體積變化等，均會導致電子和離子遷移緩慢，阻礙了複合材料鋰儲存性能的提升。石墨烯組裝體的多孔結構和褶皺表面一方面有利於離子擴散和電子傳輸，增加複合材料的導電率；另一方面可以防止石墨烯的聚集，緩解納米粒子的體積膨脹。N摻雜石墨烯可以提高複合材料的導電性，增強石墨烯材料的潤濕性，並提供足夠的處理位點。石墨烯晶格中S元素和N元素的雙重摻雜發揮協同效應，產生更多的缺陷。這些因素改善了石墨烯陽極的電化學性能，進而提升了鋰離子電池的性能。

2、催化劑

氧化還原反應的快慢關乎燃料電池性能的高低。而氧化還原反應性能受許多因素的影響，如催化劑活性位點的密度、催化劑層的比表面積、電導率等，其中兩個最為關鍵的因素是表面積和孔結構以及催化活性位點的種類。由於Pt催化劑具有高電流密度、獨特氧化還原活性等性能，成為氧化還原反應的優勢材料。但Pt催化劑在使用過程中存在一些問題，如生產成本高、儲量有限等，不利於大規模應用。

尋找新的催化劑材料來提升氧化還原反應性能顯得尤為重要。石墨烯本身不僅能夠作為催化劑，還能作為其它催化劑的載體。石墨烯組裝體的多孔貫通網狀結構不僅有益於離子擴散並減小傳質動力，還可為電荷的快速轉移和傳導提供獨特的導電通路。因此基於石墨烯組裝體及其複合材料的催化劑具有獨特的結構和性能，已用於催化醇類氧化、肼類氧化、氧的還原、過氧化、有機偶聯反應等。

雜原子摻雜有助於變換石墨烯的電子能帶結構，以此增強複合材料的電催化活性。石墨烯摻雜B原子可以加速氧的吸附，該複合材料對氧化還原反應顯示出奇特的電催化活性。N和S共同摻雜在石墨烯晶格中，能夠產生大量的缺陷。石墨烯組裝體具有高電導率和高比表面積，這有助於電荷快速穿過石墨烯結合點並提供更多的活性位點用於催化反應。

3、感測器

石墨烯組裝體具有高的比表面積，優異的電子傳導性能和特殊的微觀結構，可有效提高活性分子固載量和電傳導性能，在超靈敏化學、生物等感測器構築中具有潛在應用價值。

電化學感測器

電化學感測器由於製造成本低、操作簡便等原因，常用來檢測各種生物分析物。然而，電化學感測器的性能受電化學催化劑催化能力的影響。石墨烯及石墨烯組裝體由於比表面積大、導電率好，在製造電化學催化劑方面發揮了重要的作用。

雜原子摻雜到石墨烯中，產生了豐富的活性位點，改善了複合材料的電催化活性。同時，增強了電極的敏感性能。石墨烯組裝體比表面積大，既可以提供快速的電子通道，又可以阻止Fe3O4 等納米粒子的聚集，有利於感應過程的發生。摻雜元素與石墨烯之間的協同效應等，最終提高了石墨烯的導電率，增強了複合材料的電化學感測性能。

生物感測器

石墨烯不但導熱性能好、電子遷移率高，而且兼具生物相容性。因此科學家們研究了石墨烯作為生物感測器的應用。改性後的石墨烯、石墨烯組裝體製備的複合材料在生物感測器中的應用也顯示出優越的性能。

有研究人員利用超聲處理等方法製備出聚苯胺/GO複合材料，用於DNA雜化的檢測。他們採用控制複合比例和超聲振蕩時間獲取各種形態的複合材料。分析表明，其雜交效率大、表面密度高。該材料用於生物感測器，將具有低檢測限、寬線性範圍等一系列優點。

4、環境保護

目前，環境污染日益嚴重，如何移除水中對人體有害物質，如有機物或泄漏的石油產品等已成為科學界研究的熱點。對石墨烯組裝體進行改性或製備複合材料，可有效調控親/疏水性等性質，實現對環境污染物的去除，並表現出吸附量大、性能穩定、可重複使用等優點。有研究人員製備出疏水性三維多孔rGO薄膜，這種材料可吸附大於自身重量37倍的機油以及大於自身重量26倍的有機溶劑，顯示出可作為選擇性吸附劑的巨大潛力。此外，該rGO薄膜十分穩定，可通過己烷去除吸附油層後循環使用。高吸附量和長循環壽命（至少10個周期）使得該三維多孔rGO薄膜在去除有機物方面成為一種立項材料，尤其適用於清理原油泄漏。

除具備二維石墨烯的優異特性外，石墨烯組裝體材料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。

來源：環球新碳

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