三維可壓縮彈性碳材料具有重量輕、導(dǎo)電性高、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性好、吸附容量大、環(huán)境相容性好等優(yōu)點(diǎn)，吸引了越來(lái)越多的關(guān)注，在科學(xué)和工程領(lǐng)域，特別是在柔性和可穿戴電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。文章總結(jié)了三維碳可壓縮組件在碳納米管和納米纖維海綿、石墨烯氣凝膠、生物質(zhì)和合成聚合物海綿的合成、性能和應(yīng)用方面的最新進(jìn)展。本文還從引入雜原子、聚合物、過(guò)渡金屬氧化物/硫化物或其他客體等方面闡述了結(jié)構(gòu)特征與性能的關(guān)系，以改善3D碳海綿的電化學(xué)性能。此外，還討論了它們?cè)趥鞲?、能量存?chǔ)和轉(zhuǎn)換、環(huán)保、隔熱和催化等方面的應(yīng)用。盡管有許多不同的應(yīng)用，但也對(duì)挑戰(zhàn)和前景提出了簡(jiǎn)要的展望。
圖1. 三維碳組件的前驅(qū)體、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。三維碳組件的前驅(qū)體主要包括石墨烯、碳納米管、生物質(zhì)和合成聚合物。三維碳組件的壓縮機(jī)理。三維碳組件的結(jié)構(gòu)模型。三維碳組件的應(yīng)用。
圖2. 不同干燥工藝的單相圖示意圖。
圖3. a)超臨界CO
2干燥和b)冷凍干燥石墨烯氣凝膠的SEM圖像。c)定向冷凍法制備C-CNC/rGO-X氣凝膠的示意圖。d)碳-石墨烯(C-G)整體制作示意圖。e)石墨烯氣凝膠的合成過(guò)程示意圖。
圖4. a)將兩個(gè)立方形海綿致密成小顆粒，并在吸收乙醇后完全恢復(fù)到原來(lái)的結(jié)構(gòu)。b)由碳納米管（CNT）為骨架和開(kāi)孔組成海綿的示意圖。c) CNTs /PEDOT海綿復(fù)合材料的制備過(guò)程示意圖。d)CNTs/PEDOT海綿的SEM圖像。e)由無(wú)定形碳焊接的CNT的示意圖。f)拉伸和壓縮下的接頭焊接泡沫。
圖5. 水竹芋莖的a)數(shù)碼照片和c)SEM圖像。b)BCS設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的示意圖。d)WCS的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程圖解。e)碳海綿的SEM圖像。f)制作過(guò)程圖。g)Co
3O
4/MCS的SEM圖像。
圖6. a)可壓縮氣凝膠的壓阻曲線(xiàn)。b)可壓縮傳感器的微小應(yīng)變-電阻曲線(xiàn)。c)彎曲誘導(dǎo)阻力作為微小位移的函數(shù)。組裝好的傳感器可以檢測(cè)到微小的彎曲角度(0.052
°)。d)單壁碳納米管壁（SWCNT）的透射電子顯微鏡（TEM）圖像；e)在T=−100、+25、300和500°時(shí)石墨烯包覆的單壁碳納米管氣凝膠的蠕變曲線(xiàn)。f)GE-1000的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。g)退火的石墨烯彈性體的壓縮強(qiáng)度。
圖7. a)GSs對(duì)各種有機(jī)液體的吸附能力。b)分組石墨烯球20次循環(huán)的吸油和解吸性能。c)氣凝膠對(duì)GO和MWCNT-PDA質(zhì)量比不同的各種有機(jī)溶劑的超吸收能力。d)GCPCA在吸收燃燒循環(huán)下吸收正己烷的可回收性。e)MGC對(duì)各種有機(jī)和油溶劑的超吸收能力。f） MGC通過(guò)燃燒法的可回收性。
圖8. a)NRGO/MWCNTs復(fù)合泡沫的EM吸收機(jī)理示意圖。b)RL值隨S5頻率和厚度而變化。c)?w為8 wt%的S5三維RL曲線(xiàn)。d)與其他已報(bào)道的泡沫基材料的EM吸收性能比較。e)RL值與S2的頻率和厚度(0~5 mm)的二維等值線(xiàn)。
圖9. a)循環(huán)測(cè)試顯示，在100 mV s
-1時(shí)1000次充電和放電循環(huán)后，電容保持率>80%。b)ε=50%，1000次循環(huán)，在CNT和CNT PPy海綿中的記錄應(yīng)力值。c)不同海綿在不同掃描速率下的比電容。d)循環(huán)測(cè)試顯示CNT@PPy@MnO
2海綿比CNT@PPy和CNT@MnO
2海綿在100 mV s
-1時(shí)1000次充電和放電循環(huán)后穩(wěn)定性更好。e)不同類(lèi)型海綿在不同掃描速率下的比電容。f)四類(lèi)海綿在不同掃描速率下的比電容。g)CV掃描速率為100 mV ss
-1時(shí)電容保持值與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)。h)PPy/aMS CFs在不同壓縮條件、不同掃描速率下的Cv曲線(xiàn)圖，曲線(xiàn)a、b和c對(duì)應(yīng)于0%，30%，60%的壓縮變形。i)在相同的掃描速率下，Cm和Cv隨壓縮程度的變化趨勢(shì)。
圖10. a)CNT海綿和CNT@Fe
2O
3海綿在不同掃描速率下的比電容。b) CNT@Fe
2O
3海綿在100 mV s
-1掃描速率下的循環(huán)性能。c) CNT@Fe
2O
3海綿在掃描速率為5 mV s
-1、1000次壓縮循環(huán)前后的循環(huán)伏安曲線(xiàn)(ε=50%)。d)電容保持率。e)在ε=60%時(shí)，CS-NCS復(fù)合材料在100次重復(fù)壓縮-釋放循環(huán)期間的高度變化。f)這些電極在8Ag
-1時(shí)的循環(huán)性能。g)CS-NCS電極在不同應(yīng)變時(shí)的循環(huán)性能和相應(yīng)的壓縮狀態(tài)。h)CS和CS-NCS電極的重量電容和體積電容的比較。
圖11. a)在不同w-CNT負(fù)載水平、不同壓縮應(yīng)變時(shí)w-CNT/PDMS的K。w-CNT/PDMS復(fù)合材料在b)120℃和c)−40℃的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。d)室溫下CTA-25和二氧化硅氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)隨濕度的變化。e)殼層厚度為25 nm的電纜氣凝膠和管狀氣凝膠的隔熱性能。f)直徑為4 cm、高度為2 cm的圓柱形CTA放置在表面溫度保持在400℃左右的熱板上的熱像圖。
圖12. a-c)在檢測(cè)生物信號(hào)方面的應(yīng)用：手腕脈搏、吞咽、行走、跑步和跳躍。d)在柔性鋼琴墊中的應(yīng)用。e,f)以不同速度按下鍵盤(pán)時(shí)產(chǎn)生的音量。g)彈性鞋墊使用海綿，站立時(shí)的足底壓力分布。h,i)步行和跑步過(guò)程中應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化。
圖13. a)在30 mg L
-1不同催化劑存在時(shí)，4-NP的相對(duì)濃度(C
t/C
0)與催化持續(xù)時(shí)間的關(guān)系。b) ln(C
t/C
0)與反應(yīng)時(shí)間之間的對(duì)應(yīng)線(xiàn)性關(guān)系。c)不同電流密度下MnCo
2O
4.5和MnCo
2O
4+x/CS的比電容。d)在1.0 M KOH中以5 mV s
-1的掃描速率測(cè)量了這些電極對(duì)HER的極化曲線(xiàn)。e)相應(yīng)的η10和起始過(guò)電壓值。f)在1.0 M KOH中過(guò)電位為300mV s
-1的Nyquist曲線(xiàn)。g)在1.0 M KOH中以5 mV s
-1的掃描速率測(cè)量了這些電極的極化曲線(xiàn)。h)相應(yīng)的η10和J400值。i)在1.0 M KOH中過(guò)電位為350 mV s
-1的Nyquist曲線(xiàn)。
相關(guān)研究成果由西安理工大學(xué)Zhen Wang等人于2021年發(fā)表在Journal of Environmental Chemical Engineering (https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106269)上。原文：Recent advances of 3D compressible carbon assemblies: A review of synthesis, properties and applications in energy and environment。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
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