三維可壓縮彈性碳材料具有重量輕、導電性高、力學性能和熱穩(wěn)定性好、吸附容量大、環(huán)境相容性好等優(yōu)點，吸引了越來越多的關注，在科學和工程領域，特別是在柔性和可穿戴電子領域具有廣闊的應用前景。文章總結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、生物質和合成聚合物海綿的合成、性能和應用方面的最新進展。本文還從引入雜原子、聚合物、過渡金屬氧化物/硫化物或其他客體等方面闡述了結構特征與性能的關系，以改善3D碳海綿的電化學性能。此外，還討論了它們在傳感、能量存儲和轉換、環(huán)保、隔熱和催化等方面的應用。盡管有許多不同的應用，但也對挑戰(zhàn)和前景提出了簡要的展望。
圖1. 三維碳組件的前驅體、結構和應用。三維碳組件的前驅體主要包括石墨烯、碳納米管、生物質和合成聚合物。三維碳組件的壓縮機理。三維碳組件的結構模型。三維碳組件的應用。
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程示意圖。
圖4. a)將兩個立方形海綿致密成小顆粒，并在吸收乙醇后完全恢復到原來的結構。b)由碳納米管（CNT）為骨架和開孔組成海綿的示意圖。c) CNTs /PEDOT海綿復合材料的制備過程示意圖。d)CNTs/PEDOT海綿的SEM圖像。e)由無定形碳焊接的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)數碼照片和c)SEM圖像。b)BCS設計和制造過程的示意圖。d)WCS的設計和制造過程圖解。e)碳海綿的SEM圖像。f)制作過程圖。g)Co
3O
4/MCS的SEM圖像。
圖6. a)可壓縮氣凝膠的壓阻曲線。b)可壓縮傳感器的微小應變-電阻曲線。c)彎曲誘導阻力作為微小位移的函數。組裝好的傳感器可以檢測到微小的彎曲角度(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°時石墨烯包覆的單壁碳納米管氣凝膠的蠕變曲線。f)GE-1000的應力-應變曲線。g)退火的石墨烯彈性體的壓縮強度。
圖7. a)GSs對各種有機液體的吸附能力。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GO和MWCNT-PDA質量比不同的各種有機溶劑的超吸收能力。d)GCPCA在吸收燃燒循環(huán)下吸收正己烷的可回收性。e)MGC對各種有機和油溶劑的超吸收能力。f） MGC通過燃燒法的可回收性。
圖8. a)NRGO/MWCNTs復合泡沫的EM吸收機理示意圖。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。d)與其他已報道的泡沫基材料的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。
圖9. a)循環(huán)測試顯示，在100 mV s
-1時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海綿中的記錄應力值。c)不同海綿在不同掃描速率下的比電容。d)循環(huán)測試顯示CNT@PPy@MnO
2海綿比CNT@PPy和CNT@MnO
2海綿在100 mV s
-1時1000次充電和放電循環(huán)后穩(wěn)定性更好。e)不同類型海綿在不同掃描速率下的比電容。f)四類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時電容保持值與循環(huán)次數的關系曲線。h)PPy/aMS CFs在不同壓縮條件、不同掃描速率下的Cv曲線圖，曲線a、b和c對應于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。
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(ε=50%)。d)電容保持率。e)在ε=60%時，CS-NCS復合材料在100次重復壓縮-釋放循環(huán)期間的高度變化。f)這些電極在8Ag
-1時的循環(huán)性能。g)CS-NCS電極在不同應變時的循環(huán)性能和相應的壓縮狀態(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負載水平、不同壓縮應變時w-CNT/PDMS的K。w-CNT/PDMS復合材料在b)120℃和c)−40℃的循環(huán)壓縮應力-應變曲線。d)室溫下CTA-25和二氧化硅氣凝膠的導熱系數隨濕度的變化。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)在檢測生物信號方面的應用：手腕脈搏、吞咽、行走、跑步和跳躍。d)在柔性鋼琴墊中的應用。e,f)以不同速度按下鍵盤時產生的音量。g)彈性鞋墊使用海綿，站立時的足底壓力分布。h,i)步行和跑步過程中應力的動態(tài)變化。
圖13. a)在30 mg L
-1不同催化劑存在時，4-NP的相對濃度(C
t/C
0)與催化持續(xù)時間的關系。b) ln(C
t/C
0)與反應時間之間的對應線性關系。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的掃描速率測量了這些電極對HER的極化曲線。e)相應的η10和起始過電壓值。f)在1.0 M KOH中過電位為300mV s
-1的Nyquist曲線。g)在1.0 M KOH中以5 mV s
-1的掃描速率測量了這些電極的極化曲線。h)相應的η10和J400值。i)在1.0 M KOH中過電位為350 mV s
-1的Nyquist曲線。
相關研究成果由西安理工大學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。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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