三維筋撐石墨烯的制備工藝優(yōu)化及其在鋰硫電池中的性能研究

三維筋撐石墨烯的制備工藝優(yōu)化及其在鋰硫電池中的性能研究一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今社會(huì)，隨著科技的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)，能源存儲(chǔ)技術(shù)也因此成為了研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的鋰離子電池由于其能量密度的限制，逐漸難以滿足如電動(dòng)汽車、大規(guī)模儲(chǔ)能等新興領(lǐng)域?qū)Ω吣芰棵芏入娫吹钠惹行枨?。在這樣的背景下，鋰硫電池以其突出的優(yōu)勢(shì)脫穎而出，成為了極具潛力的下一代儲(chǔ)能技術(shù)。鋰硫電池的工作原理基于硫和Li?之間的可逆氧化還原反應(yīng)。其硫正極展現(xiàn)出高達(dá)1675mAh/g的理論比容量，這一數(shù)值約為傳統(tǒng)鋰離子電池正極材料的10倍，同時(shí)其理論能量密度可達(dá)2600Wh/kg，是傳統(tǒng)鋰離子電池的數(shù)倍。此外，硫元素在地球上儲(chǔ)量豐富，成本低廉，并且在生產(chǎn)和使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境友好，這些優(yōu)點(diǎn)使得鋰硫電池在大規(guī)模儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，鋰硫電池在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨著諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。硫本身是絕緣體，其室溫電導(dǎo)率極低，僅為5×10?3?S/cm，這嚴(yán)重阻礙了電荷的傳遞過(guò)程，導(dǎo)致電池的性能受到極大影響。在鋰硫電池的充放電過(guò)程中，會(huì)生成一系列可溶于電解液的多硫化鋰（Li?Sn，n>2）。這些多硫化鋰會(huì)發(fā)生遷移，穿過(guò)隔膜到達(dá)金屬鋰負(fù)極一側(cè)，并在負(fù)極表面被還原成不溶性的Li?S沉積下來(lái)，這一現(xiàn)象被稱為“穿梭效應(yīng)”?！按┧笮?yīng)”不僅會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)的損失，降低電極材料的利用率，還會(huì)造成電池的自放電，嚴(yán)重影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命。單質(zhì)硫在轉(zhuǎn)化為不溶性硫化物的過(guò)程中，由于兩種物質(zhì)密度的差異，會(huì)產(chǎn)生顯著的體積變化，這會(huì)導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)一步降低電極的穩(wěn)定性，使得電池的實(shí)際容量難以達(dá)到理論值，循環(huán)性能和倍率性能也不盡人意。為了解決鋰硫電池面臨的這些問(wèn)題，科研人員進(jìn)行了大量的研究，其中采用碳材料與硫復(fù)合是一種被廣泛研究和應(yīng)用的有效策略。碳材料具有高導(dǎo)電性、豐富的結(jié)構(gòu)類型以及較大的比表面積等優(yōu)勢(shì)，能夠有效改善硫正極的性能。而石墨烯作為一種新型的碳材料，在提升鋰硫電池性能方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的潛力。石墨烯是一種由碳原子組成的二維材料，具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)。它的導(dǎo)電性極高，電子遷移率可達(dá)200,000cm2/V/s，能夠?yàn)榱蛱峁┝己玫膶?dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有效彌補(bǔ)硫?qū)щ娦圆畹娜毕?，從而提高電池的充放電效率。石墨烯還具有高比表面積，理論比表面積可達(dá)2630m2/g，這使得它能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于硫的負(fù)載和多硫化物的吸附，從而提高電極材料的利用率。此外，石墨烯還具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在一定程度上緩解硫正極在充放電過(guò)程中的體積變化，保持電極結(jié)構(gòu)的完整性。三維筋撐石墨烯作為一種特殊結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，在解決鋰硫電池問(wèn)題方面具有獨(dú)特的作用。三維結(jié)構(gòu)能夠構(gòu)建起更加高效的電子傳輸通道，增強(qiáng)電子在材料內(nèi)部的傳輸能力，進(jìn)一步提高電池的倍率性能。其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可以提供更大的空間來(lái)容納硫，提高硫的負(fù)載量，同時(shí)也有助于緩解充放電過(guò)程中的體積變化。三維筋撐石墨烯還可以通過(guò)物理和化學(xué)作用有效地束縛多硫化物，抑制其穿梭效應(yīng)，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。三維筋撐石墨烯在鋰硫電池中的應(yīng)用前景廣闊。如果能夠成功解決鋰硫電池存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)其高性能化，鋰硫電池將在電動(dòng)汽車領(lǐng)域顯著提高車輛的續(xù)航里程，降低成本，推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展；在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域，鋰硫電池可以用于電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻等，提高可再生能源的利用效率，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1三維筋撐石墨烯的制備研究現(xiàn)狀在三維筋撐石墨烯的制備方面，國(guó)內(nèi)外研究人員已探索出多種方法，每種方法都有其獨(dú)特的原理、優(yōu)勢(shì)和局限性。化學(xué)氣相沉積（CVD）法是一種常用的制備技術(shù)。其原理是在高溫和催化劑的作用下，氣態(tài)的碳源分解并在基底表面沉積，碳原子逐漸堆積并反應(yīng)生成石墨烯，進(jìn)而構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)。通過(guò)精確控制反應(yīng)條件，如溫度、氣體流量和沉積時(shí)間等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維筋撐石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的精細(xì)調(diào)控。在泡沫鎳基底上，利用CVD法成功制備出了三維多孔石墨烯泡沫，該方法不僅能夠負(fù)載高比例的硫，而且硫的含量能夠在3.3-10.1mg/cm2范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，特別是負(fù)載量為10.1mg/cm2的電極，能夠獲得極高的比面積容量（13.4mAh/cm2）。CVD法能夠制備出高質(zhì)量的三維筋撐石墨烯，其結(jié)晶度高、缺陷少，在電子學(xué)、催化等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，該方法也存在一些明顯的缺點(diǎn)，如制備過(guò)程需要高溫和真空環(huán)境，這不僅增加了設(shè)備成本和能耗，還使得制備工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。此外，CVD法制備的三維筋撐石墨烯與基底的結(jié)合力較弱，在后續(xù)應(yīng)用中可能出現(xiàn)脫落等問(wèn)題。溶液法也是制備三維筋撐石墨烯的重要方法之一。該方法通常是將氧化石墨烯（GO）分散在溶液中，通過(guò)加入還原劑、交聯(lián)劑或利用自組裝等原理，使GO在溶液中發(fā)生還原和交聯(lián)反應(yīng)，從而形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。研究人員通過(guò)水熱法，以抗壞血酸為還原劑，成功制備出三維還原氧化石墨烯（rGO）氣凝膠。在水熱過(guò)程中，抗壞血酸將GO還原為rGO，同時(shí)rGO片層之間通過(guò)π-π相互作用和化學(xué)鍵交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。溶液法具有操作簡(jiǎn)單、成本低、可大規(guī)模制備等優(yōu)點(diǎn)，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的組成和反應(yīng)條件，引入各種功能基團(tuán)或納米粒子，對(duì)三維筋撐石墨烯的性能進(jìn)行改性。但是，溶液法制備的三維筋撐石墨烯往往存在缺陷較多、導(dǎo)電性相對(duì)較差的問(wèn)題，這在一定程度上限制了其在對(duì)導(dǎo)電性要求較高的領(lǐng)域的應(yīng)用。模板法是借助具有特定結(jié)構(gòu)的模板來(lái)引導(dǎo)三維筋撐石墨烯的生長(zhǎng)。硬模板法常用的模板材料有二氧化硅、氧化鋁等，通過(guò)在模板表面沉積碳源，然后去除模板，即可得到具有模板結(jié)構(gòu)的三維筋撐石墨烯；軟模板法則通常利用表面活性劑、聚合物等形成的膠束或乳液作為模板。采用模板法制備的三維筋撐石墨烯具有高度有序的孔結(jié)構(gòu)和良好的機(jī)械性能，能夠?yàn)榱蛱峁└嗟呢?fù)載位點(diǎn)，有利于提高鋰硫電池的性能。模板法的制備過(guò)程較為復(fù)雜，模板的制備和去除步驟繁瑣，而且模板的成本較高，這增加了三維筋撐石墨烯的制備成本，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。1.2.2三維筋撐石墨烯在鋰硫電池中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀在鋰硫電池領(lǐng)域，三維筋撐石墨烯展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能提升效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞其在鋰硫電池中的應(yīng)用展開(kāi)了廣泛而深入的研究。三維筋撐石墨烯為硫提供了良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，顯著改善了硫正極的導(dǎo)電性。由于硫本身是絕緣體，其導(dǎo)電性極差，這嚴(yán)重阻礙了電池充放電過(guò)程中的電荷傳輸，導(dǎo)致電池性能不佳。而三維筋撐石墨烯具有高導(dǎo)電性，能夠在硫顆粒之間構(gòu)建起高效的電子傳輸通道，使得電子能夠快速地在電極材料中傳遞，從而提高了電池的充放電效率。將三維筋撐石墨烯與硫復(fù)合制備成正極材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合正極材料的電導(dǎo)率相比純硫正極有了顯著提高，在充放電過(guò)程中能夠更快地響應(yīng)電流變化，電池的倍率性能得到了明顯改善。當(dāng)倍率增加時(shí)，電池仍能保持較高的容量輸出，有效解決了硫正極導(dǎo)電性差的問(wèn)題。三維筋撐石墨烯還能有效抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)。在鋰硫電池的充放電過(guò)程中，多硫化物的穿梭是導(dǎo)致電池容量衰減和循環(huán)穩(wěn)定性下降的主要原因之一。三維筋撐石墨烯具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，能夠通過(guò)物理吸附作用將多硫化物束縛在電極材料內(nèi)部，減少其在電解液中的溶解和擴(kuò)散。三維筋撐石墨烯表面的一些官能團(tuán)或與其他元素的摻雜可以與多硫化物發(fā)生化學(xué)吸附作用，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)多硫化物的束縛能力。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用三維筋撐石墨烯作為硫正極載體的鋰硫電池，在循環(huán)過(guò)程中多硫化物的穿梭現(xiàn)象得到了明顯抑制，電池的容量保持率有了顯著提高。經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后，電池的容量衰減速度明顯減緩，循環(huán)穩(wěn)定性得到了極大改善。三維筋撐石墨烯在緩解硫正極體積變化方面也發(fā)揮了重要作用。在鋰硫電池的充放電過(guò)程中，硫從單質(zhì)轉(zhuǎn)化為硫化物的過(guò)程中會(huì)發(fā)生顯著的體積變化，這會(huì)導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而影響電池的性能。三維筋撐石墨烯具有良好的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠在一定程度上緩沖硫正極的體積變化，保持電極結(jié)構(gòu)的完整性。三維筋撐石墨烯的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以為硫提供足夠的空間，使其在體積變化時(shí)能夠有一定的緩沖余地，避免了電極材料的破碎和脫落。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用三維筋撐石墨烯的鋰硫電池電極在多次充放電循環(huán)后，其結(jié)構(gòu)依然保持相對(duì)完整，電池的性能穩(wěn)定性得到了有效保障。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足盡管目前三維筋撐石墨烯的制備及其在鋰硫電池中的應(yīng)用研究取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。在制備方法上，現(xiàn)有的方法普遍存在成本高、工藝復(fù)雜、難以大規(guī)模生產(chǎn)等問(wèn)題，這限制了三維筋撐石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用。一些制備方法對(duì)設(shè)備要求苛刻，需要高溫、高壓或真空等特殊條件，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還不利于大規(guī)模制備。在鋰硫電池應(yīng)用方面，雖然三維筋撐石墨烯在一定程度上改善了電池的性能，但仍未能完全解決鋰硫電池存在的問(wèn)題，如電池的循環(huán)壽命和倍率性能仍有待進(jìn)一步提高。多硫化物的穿梭效應(yīng)雖然得到了一定抑制，但在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中，仍會(huì)有少量多硫化物的損失，導(dǎo)致電池容量逐漸衰減。此外，對(duì)于三維筋撐石墨烯與硫之間的界面相互作用以及對(duì)電池性能的影響機(jī)制，目前的研究還不夠深入，需要進(jìn)一步加強(qiáng)理論研究和實(shí)驗(yàn)探索，以深入理解其作用機(jī)制，為優(yōu)化電池性能提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于三維筋撐石墨烯的制備及其在鋰硫電池中的應(yīng)用，旨在通過(guò)深入探究制備工藝和應(yīng)用性能，為解決鋰硫電池的關(guān)鍵問(wèn)題提供新的思路和方法。具體研究?jī)?nèi)容如下：三維筋撐石墨烯的制備方法研究：系統(tǒng)地研究化學(xué)氣相沉積（CVD）法、溶液法、模板法等多種制備三維筋撐石墨烯的方法。深入分析各方法的原理、工藝參數(shù)以及對(duì)三維筋撐石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的影響，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，如CVD法中的反應(yīng)溫度、氣體流量、沉積時(shí)間，溶液法中的還原劑種類與用量、反應(yīng)時(shí)間和溫度，模板法中模板的選擇與去除方式等，探索出一種高效、低成本且易于大規(guī)模制備的方法。三維筋撐石墨烯制備的影響因素分析：全面考察在三維筋撐石墨烯制備過(guò)程中，各種因素對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究不同的碳源、催化劑、基底材料等對(duì)三維筋撐石墨烯生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)的影響，以及反應(yīng)條件如溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間等對(duì)其性能的作用。通過(guò)改變這些因素，制備一系列具有不同結(jié)構(gòu)和性能的三維筋撐石墨烯樣品，利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、拉曼光譜（Raman）等表征手段，深入分析其微觀結(jié)構(gòu)和性能變化規(guī)律，揭示各因素對(duì)三維筋撐石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的影響機(jī)制。三維筋撐石墨烯在鋰硫電池中的應(yīng)用性能研究：將制備得到的三維筋撐石墨烯應(yīng)用于鋰硫電池，深入研究其對(duì)電池性能的提升效果。制備三維筋撐石墨烯/硫復(fù)合正極材料，詳細(xì)研究其在鋰硫電池中的充放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能等。通過(guò)循環(huán)伏安法（CV）、恒流充放電測(cè)試（GCD）、電化學(xué)阻抗譜（EIS）等電化學(xué)測(cè)試手段，系統(tǒng)分析三維筋撐石墨烯對(duì)電池性能的影響。研究三維筋撐石墨烯與硫之間的界面相互作用，以及這種相互作用對(duì)多硫化物穿梭效應(yīng)的抑制機(jī)制，探索如何進(jìn)一步優(yōu)化三維筋撐石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能，以提高鋰硫電池的整體性能。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，深入探究三維筋撐石墨烯的制備及其在鋰硫電池中的應(yīng)用。具體研究方法如下：實(shí)驗(yàn)研究法：通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）法、溶液法、模板法等實(shí)驗(yàn)手段制備三維筋撐石墨烯。在制備過(guò)程中，精確控制各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如溫度、壓力、氣體流量、溶液濃度等，以制備出具有不同結(jié)構(gòu)和性能的三維筋撐石墨烯樣品。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、拉曼光譜（Raman）、X射線衍射（XRD）等多種材料表征技術(shù)，對(duì)制備得到的三維筋撐石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌等進(jìn)行全面表征，深入分析其結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。將制備的三維筋撐石墨烯應(yīng)用于鋰硫電池，組裝成電池測(cè)試其電化學(xué)性能。采用循環(huán)伏安法（CV）、恒流充放電測(cè)試（GCD）、電化學(xué)阻抗譜（EIS）等電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，系統(tǒng)研究電池的充放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能等，分析三維筋撐石墨烯對(duì)鋰硫電池性能的影響。理論分析方法：運(yùn)用密度泛函理論（DFT）等計(jì)算方法，對(duì)三維筋撐石墨烯的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進(jìn)行理論計(jì)算。深入研究三維筋撐石墨烯與硫之間的相互作用機(jī)制，包括吸附能、電荷轉(zhuǎn)移等，從理論層面揭示三維筋撐石墨烯對(duì)多硫化物穿梭效應(yīng)的抑制作用和對(duì)電池性能提升的原理。通過(guò)理論模擬，預(yù)測(cè)不同結(jié)構(gòu)和性能的三維筋撐石墨烯在鋰硫電池中的應(yīng)用效果，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，提高研究效率。二、三維筋撐石墨烯的制備方法2.1化學(xué)氣相沉積法2.1.1原理與過(guò)程化學(xué)氣相沉積（CVD）法是一種在高溫和催化劑的作用下，利用氣態(tài)的碳源在基底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并沉積，從而制備材料的技術(shù)。在三維筋撐石墨烯的制備中，其基本原理是將氣態(tài)碳源通入反應(yīng)腔室，在高溫和催化劑的催化作用下，碳源分解為碳原子，這些碳原子在基底表面吸附、擴(kuò)散并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸沉積并生長(zhǎng)形成石墨烯，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)和控制生長(zhǎng)條件，使石墨烯在三維空間中構(gòu)建出筋撐結(jié)構(gòu)。以一種常見(jiàn)的制備過(guò)程為例，實(shí)驗(yàn)采用泡沫鎳作為基底，這是因?yàn)榕菽嚲哂腥S多孔結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)槭┑纳L(zhǎng)提供豐富的位點(diǎn)和支撐，有助于形成三維筋撐結(jié)構(gòu)。將泡沫鎳切成直徑為1.5cm的圓形，放置于石英舟中。選擇乙醇作為碳源，乙醇具有來(lái)源廣泛、成本低廉、含碳量適中等優(yōu)點(diǎn)。把無(wú)水乙醇裝入容量為250毫升的揮發(fā)室中，加熱至80℃使其揮發(fā)，產(chǎn)生的乙醇蒸汽作為碳源，通過(guò)氬氫混合氣體作為承載氣體，將其帶入放有泡沫鎳的CVD管式爐中。在泡沫鎳附近放置若干銅箔作為催化劑，銅箔在高溫下能夠促進(jìn)乙醇蒸汽的分解，降低碳原子的活化能，加快石墨烯的生長(zhǎng)速率。將裝有泡沫鎳和銅箔的石英舟放入CVD管式爐的石英管中，在非氧化性氣體環(huán)境中，將泡沫鎳加熱至1050℃，然后通入流量為5sccm的攜帶有乙醇蒸汽的氬氫混合氣體，反應(yīng)30-90分鐘。在這個(gè)過(guò)程中，乙醇蒸汽在高溫和銅箔催化劑的作用下分解，碳原子在泡沫鎳表面沉積并反應(yīng)，逐漸在泡沫鎳襯底上生長(zhǎng)出三維筋撐石墨烯，其緊密包裹在泡沫鎳外部，形成了具有優(yōu)異機(jī)械性質(zhì)和較高柔性的三維結(jié)構(gòu)。2.1.2案例分析某研究團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)氣相沉積法制備三維筋撐石墨烯，他們深入研究了工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性能的影響。在實(shí)驗(yàn)中，他們首先固定其他參數(shù)，著重研究了反應(yīng)溫度的影響。當(dāng)反應(yīng)溫度為900℃時(shí)，制備得到的三維筋撐石墨烯的層數(shù)較少，且石墨烯片層之間的連接不夠緊密，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。這是因?yàn)樵谳^低溫度下，碳原子的活性較低，擴(kuò)散速率較慢，難以在泡沫鎳基底上充分沉積和反應(yīng)，從而無(wú)法形成完整且緊密連接的三維結(jié)構(gòu)。隨著反應(yīng)溫度升高到1050℃，石墨烯的生長(zhǎng)速率明顯加快，碳原子能夠更快速地在基底表面吸附、擴(kuò)散和反應(yīng)，形成了層數(shù)適中、片層之間連接緊密的三維筋撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性都得到了顯著提高。然而，當(dāng)反應(yīng)溫度進(jìn)一步升高到1200℃時(shí)，雖然石墨烯的生長(zhǎng)速率進(jìn)一步加快，但由于高溫下原子的熱運(yùn)動(dòng)過(guò)于劇烈，導(dǎo)致石墨烯的缺陷增多，結(jié)晶度下降，從而使材料的導(dǎo)電性和力學(xué)性能受到負(fù)面影響。該研究團(tuán)隊(duì)還研究了氣體流量對(duì)產(chǎn)物的影響。在其他條件相同的情況下，當(dāng)氬氫混合氣體的流量較小時(shí)，如3sccm，碳源（乙醇蒸汽）在反應(yīng)腔室內(nèi)的濃度較高，這使得碳原子在基底表面的沉積速率過(guò)快，導(dǎo)致石墨烯的生長(zhǎng)不均勻，出現(xiàn)局部團(tuán)聚和缺陷增多的現(xiàn)象，進(jìn)而影響了材料的性能。隨著氣體流量增加到5sccm，碳源能夠更均勻地分布在反應(yīng)腔室內(nèi)，在基底表面的沉積速率適中，使得石墨烯能夠均勻生長(zhǎng)，形成了結(jié)構(gòu)均勻、性能良好的三維筋撐石墨烯。但當(dāng)氣體流量繼續(xù)增大到7sccm時(shí)，碳源在反應(yīng)腔室內(nèi)的停留時(shí)間過(guò)短，無(wú)法充分在基底表面沉積和反應(yīng)，導(dǎo)致石墨烯的生長(zhǎng)量減少，材料的比表面積和導(dǎo)電性也相應(yīng)降低。通過(guò)對(duì)這個(gè)案例的分析可以看出，在化學(xué)氣相沉積法制備三維筋撐石墨烯的過(guò)程中，工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能有著至關(guān)重要的影響。精確控制反應(yīng)溫度、氣體流量等參數(shù)，能夠制備出具有理想結(jié)構(gòu)和性能的三維筋撐石墨烯，為其在鋰硫電池等領(lǐng)域的應(yīng)用提供有力保障。2.2溶液法2.2.1原理與過(guò)程溶液法是制備三維筋撐石墨烯的一種常用且具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的方法。其基本原理是基于溶液中分子或離子的相互作用以及化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)一系列精細(xì)的操作步驟來(lái)構(gòu)建三維筋撐結(jié)構(gòu)。首先，將氧化石墨烯（GO）均勻地分散在合適的溶劑中，形成穩(wěn)定的GO溶液。氧化石墨烯由于其表面含有豐富的含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基等，使其在水中具有良好的分散性。這些官能團(tuán)不僅有助于GO在溶液中的均勻分散，還為后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)提供了活性位點(diǎn)。在得到穩(wěn)定的GO溶液后，向其中加入三維結(jié)構(gòu)前驅(qū)體。這些前驅(qū)體通常具有特定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能，能夠與GO發(fā)生相互作用，引導(dǎo)三維結(jié)構(gòu)的形成。某些含有多個(gè)活性基團(tuán)的聚合物可以作為前驅(qū)體，它們能夠與GO表面的官能團(tuán)通過(guò)共價(jià)鍵或氫鍵等相互作用結(jié)合在一起。在這個(gè)過(guò)程中，前驅(qū)體分子在GO片層之間穿插、連接，逐漸構(gòu)建起三維網(wǎng)絡(luò)的雛形。隨后，需要對(duì)溶液進(jìn)行還原處理。這一步驟的目的是將氧化石墨烯中的含氧官能團(tuán)去除，使其還原為具有高導(dǎo)電性的石墨烯，同時(shí)進(jìn)一步鞏固三維結(jié)構(gòu)。常用的還原劑有水合肼、硼氫化鈉等。以水合肼為例，它在溶液中能夠提供電子，與氧化石墨烯中的含氧官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，將其逐步還原。在還原過(guò)程中，隨著含氧官能團(tuán)的去除，石墨烯片層之間的π-π相互作用增強(qiáng)，使得片層之間的連接更加緊密，從而形成更加穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。還原反應(yīng)完成后，還需要進(jìn)行溶劑萃取等后續(xù)處理步驟。通過(guò)選擇合適的溶劑，將未反應(yīng)的物質(zhì)、雜質(zhì)以及多余的還原劑等從產(chǎn)物中去除，從而得到純凈的三維筋撐石墨烯。通常會(huì)選擇一些與水不互溶且能夠溶解雜質(zhì)的有機(jī)溶劑，如乙醇、***等。將反應(yīng)后的溶液與有機(jī)溶劑混合，經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢?、靜置分層后，雜質(zhì)會(huì)溶解在有機(jī)溶劑相中，而三維筋撐石墨烯則留在水相中，通過(guò)分液、離心等操作即可實(shí)現(xiàn)分離和純化。2.2.2案例分析某研究團(tuán)隊(duì)致力于利用溶液法制備三維筋撐石墨烯，并將其應(yīng)用于鋰硫電池領(lǐng)域，以提升電池性能。在制備過(guò)程中，他們選取了氧化石墨烯（GO）作為起始原料，通過(guò)超聲分散的方式將GO均勻地分散在去離子水中，形成濃度為1mg/mL的GO溶液。超聲分散能夠提供足夠的能量，克服GO片層之間的范德華力，使其在水中充分分散，形成穩(wěn)定的膠體溶液。接著，他們引入了一種具有三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用的聚合物作為前驅(qū)體，該聚合物分子中含有多個(gè)氨基和羧基官能團(tuán)。這些官能團(tuán)能夠與GO表面的羥基和羧基發(fā)生縮合反應(yīng)，形成共價(jià)鍵連接。在溶液中，聚合物分子逐漸在GO片層之間擴(kuò)散、連接，通過(guò)共價(jià)鍵的作用將GO片層交織在一起，構(gòu)建起初步的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了將氧化石墨烯還原為石墨烯并進(jìn)一步增強(qiáng)三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)選用了水合肼作為還原劑。在一定溫度和攪拌條件下，向含有GO和聚合物的溶液中緩慢滴加水合肼。水合肼與氧化石墨烯發(fā)生還原反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液的顏色逐漸由棕色變?yōu)楹谏@是氧化石墨烯被還原為石墨烯的直觀表現(xiàn)。在還原過(guò)程中，石墨烯片層之間的π-π相互作用逐漸增強(qiáng)，使得三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密和穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)還原反應(yīng)后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了多次水洗和離心處理，以去除未反應(yīng)的水合肼、多余的聚合物以及其他雜質(zhì)。水洗和離心操作能夠有效地分離出純凈的三維筋撐石墨烯，確保其質(zhì)量和性能不受雜質(zhì)的影響。通過(guò)對(duì)制備得到的三維筋撐石墨烯進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）表征，發(fā)現(xiàn)其具有高度多孔的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。石墨烯片層相互交織，形成了豐富的孔隙，這些孔隙大小分布均勻，孔徑在幾十納米到幾百納米之間。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)為硫的負(fù)載提供了大量的空間和活性位點(diǎn)，有利于提高硫的負(fù)載量和利用率。在將三維筋撐石墨烯應(yīng)用于鋰硫電池后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)電池的性能進(jìn)行了全面測(cè)試。循環(huán)伏安測(cè)試（CV）結(jié)果顯示，電池具有明顯的氧化還原峰，表明硫在三維筋撐石墨烯的支撐下能夠順利地進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。恒流充放電測(cè)試（GCD）結(jié)果表明，電池在0.2C的倍率下首次放電比容量高達(dá)1200mAh/g，經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后，容量保持率仍能達(dá)到70%，展現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。倍率性能測(cè)試結(jié)果也十分優(yōu)異，當(dāng)倍率提高到2C時(shí)，電池仍能保持較高的容量輸出，這得益于三維筋撐石墨烯構(gòu)建的高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，能夠快速地傳輸電子，滿足電池在高倍率下的充放電需求。從這個(gè)案例可以看出，在溶液法制備三維筋撐石墨烯的過(guò)程中，前驅(qū)體的選擇和添加量、還原劑的種類和用量以及反應(yīng)條件（如溫度、時(shí)間、攪拌速度等）都對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能有著至關(guān)重要的影響。精確控制這些因素，能夠制備出具有理想結(jié)構(gòu)和性能的三維筋撐石墨烯，為其在鋰硫電池等領(lǐng)域的應(yīng)用提供有力的支持。2.33D打印法2.3.1原理與過(guò)程3D打印法制備三維筋撐石墨烯是一種極具創(chuàng)新性和潛力的技術(shù)，它以獨(dú)特的方式實(shí)現(xiàn)了石墨烯材料的定制化構(gòu)建。其原理基于逐層制造的理念，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件創(chuàng)建三維模型，然后將模型轉(zhuǎn)化為打印機(jī)可識(shí)別的指令，打印機(jī)按照這些指令，以石墨烯或其相關(guān)材料為“墨水”，逐層堆積形成三維結(jié)構(gòu)。在實(shí)際操作過(guò)程中，首先需要對(duì)石墨烯材料進(jìn)行預(yù)處理，使其能夠滿足3D打印的要求。通常會(huì)將石墨烯與特定的聚合物或其他添加劑混合，制備成具有合適流動(dòng)性和穩(wěn)定性的打印漿料或線材。這些添加劑不僅可以改善材料的加工性能，還能在一定程度上影響最終產(chǎn)品的性能。以一種常見(jiàn)的基于擠出式3D打印技術(shù)制備三維筋撐石墨烯的過(guò)程為例。先將氧化石墨烯（GO）均勻分散在特定的高分子溶液中，形成穩(wěn)定的懸浮液。通過(guò)超聲處理等手段，確保GO在溶液中充分分散，避免團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生。然后，向懸浮液中添加適量的交聯(lián)劑和增塑劑，交聯(lián)劑能夠在后續(xù)的處理過(guò)程中與GO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增塑劑則可以改善漿料的流動(dòng)性，使其更易于擠出。將制備好的打印漿料裝入3D打印機(jī)的料筒中，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的精密擠出系統(tǒng)，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的三維模型，將漿料逐層擠出并沉積在打印平臺(tái)上。在擠出過(guò)程中，需要精確控制擠出速度、溫度和壓力等參數(shù)，以確保漿料能夠均勻地沉積，并且層與層之間能夠緊密結(jié)合。例如，擠出速度過(guò)快可能導(dǎo)致漿料堆積不均勻，影響結(jié)構(gòu)的精度；溫度過(guò)高或過(guò)低則可能影響漿料的流動(dòng)性和固化效果。打印完成后，得到的是含有氧化石墨烯的三維結(jié)構(gòu)。為了將氧化石墨烯還原為具有高導(dǎo)電性的石墨烯，還需要進(jìn)行還原處理。常用的還原方法包括化學(xué)還原法和熱還原法?；瘜W(xué)還原法通常使用水合肼、硼氫化鈉等還原劑，在一定的溫度和反應(yīng)時(shí)間下，將氧化石墨烯中的含氧官能團(tuán)去除，實(shí)現(xiàn)還原。熱還原法則是將打印結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下進(jìn)行處理，通過(guò)熱分解反應(yīng)去除含氧官能團(tuán)。在還原過(guò)程中，需要注意控制還原條件，避免過(guò)度還原導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞或性能的下降。2.3.2案例分析北京航空航天大學(xué)羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)提出激光誘導(dǎo)石墨烯選區(qū)增材制造技術(shù)（LIG-AM），實(shí)現(xiàn)多自由形態(tài)石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工與功能應(yīng)用。在無(wú)需引入額外膠粘劑與催化劑的條件下，僅通過(guò)特種紅外激光即可同步實(shí)現(xiàn)特定高分子粉末原料的連接與碳化。將這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到高分子粉床的層層選擇性加工，即可實(shí)現(xiàn)宏觀石墨烯結(jié)構(gòu)的原位3D打印。該技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可比擬SLS、SLM等金屬3D打印技術(shù)，能夠快速制備任意復(fù)雜形狀的3D石墨烯。通過(guò)激光能量的調(diào)節(jié)，可選擇燒結(jié)區(qū)與碳化區(qū)，進(jìn)一步制備高分子/石墨烯混雜結(jié)構(gòu)，如石墨烯導(dǎo)電內(nèi)通道、石墨烯表面圖案化導(dǎo)電通路等。通過(guò)激光能量的細(xì)微調(diào)控，還能優(yōu)化石墨烯打印結(jié)構(gòu)的多物理/功能特性，包括密度（<50mg/cm3）、比表面積（>400m2/g）、抗拉強(qiáng)度（>7MPa）、斷裂伸長(zhǎng)率（>200%）、電導(dǎo)率（>45S/m）、壓阻靈敏度（>90）、焦耳熱溫度（>200℃）等。利用LIG-AM的加工優(yōu)勢(shì)與出色性能，可制備各類功能器件以實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景應(yīng)用，例如柔性傳感器、加熱器、超級(jí)電容器、有機(jī)物收集器、人工肌肉等。團(tuán)隊(duì)還通過(guò)LIG-AM一次性打印出一個(gè)含有多種石墨烯功能結(jié)構(gòu)的智能飛機(jī)機(jī)翼模型，機(jī)翼主體結(jié)構(gòu)通過(guò)較低激光能量?jī)H燒結(jié)粉體原料，以達(dá)到高強(qiáng)度的目的（12.7MPa）；機(jī)翼內(nèi)嵌一個(gè)石墨烯蜂窩傳感結(jié)構(gòu)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)自不同方向的載荷；機(jī)翼前緣整體為石墨烯，兼具超疏水及焦耳熱特性，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防冰與被動(dòng)加熱除冰的效果；機(jī)翼表面亦為石墨烯薄層結(jié)構(gòu)，可承受700-800℃的高溫，并可吸收90%以上的電磁波。然而，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。一方面，設(shè)備成本較高，特種紅外激光設(shè)備以及高精度的打印平臺(tái)造價(jià)昂貴，限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用；另一方面，打印材料的選擇和優(yōu)化仍有待進(jìn)一步研究，目前可用的高分子粉末原料種類有限，且與石墨烯的復(fù)合效果還需進(jìn)一步提升，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)材料性能的多樣化需求。三、制備過(guò)程中的影響因素3.1反應(yīng)溫度3.1.1對(duì)生長(zhǎng)速率的影響反應(yīng)溫度在三維筋撐石墨烯的制備過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，對(duì)其生長(zhǎng)速率有著顯著的影響。在化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備三維筋撐石墨烯時(shí)，反應(yīng)溫度直接決定了碳原子的活性和反應(yīng)速率。以在泡沫鎳基底上利用CVD法制備三維筋撐石墨烯為例，當(dāng)反應(yīng)溫度為900℃時(shí)，碳原子的活性相對(duì)較低，擴(kuò)散速率較慢。這是因?yàn)樵谳^低溫度下，碳原子獲得的能量較少，難以克服反應(yīng)的活化能壘，導(dǎo)致其在泡沫鎳基底表面的吸附、擴(kuò)散和反應(yīng)速率都較為緩慢。此時(shí)，石墨烯的生長(zhǎng)速率較低，在相同的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，形成的石墨烯層數(shù)較少，且片層之間的連接不夠緊密，無(wú)法構(gòu)建出完整且穩(wěn)定的三維筋撐結(jié)構(gòu)。隨著反應(yīng)溫度升高到1050℃，碳原子的活性顯著增強(qiáng)，擴(kuò)散速率加快。較高的溫度為碳原子提供了更多的能量，使其能夠更快速地在基底表面吸附和擴(kuò)散，與其他碳原子發(fā)生反應(yīng)并沉積下來(lái)，從而大大提高了石墨烯的生長(zhǎng)速率。在這個(gè)溫度下，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)形成層數(shù)適中、片層之間連接緊密的三維筋撐結(jié)構(gòu)，有效提高了制備效率和產(chǎn)物質(zhì)量。當(dāng)反應(yīng)溫度進(jìn)一步升高到1200℃時(shí)，雖然碳原子的活性和擴(kuò)散速率進(jìn)一步提高，石墨烯的生長(zhǎng)速率也隨之加快，但過(guò)高的溫度也帶來(lái)了一些負(fù)面影響。由于原子的熱運(yùn)動(dòng)過(guò)于劇烈，碳原子在基底表面的沉積和反應(yīng)變得難以控制，容易導(dǎo)致石墨烯的生長(zhǎng)不均勻，出現(xiàn)局部團(tuán)聚和缺陷增多的現(xiàn)象。這不僅會(huì)影響三維筋撐石墨烯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還可能對(duì)其電學(xué)、力學(xué)等性能產(chǎn)生不利影響。研究表明，反應(yīng)溫度與石墨烯的生長(zhǎng)速率之間存在著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，石墨烯的生長(zhǎng)速率呈指數(shù)增長(zhǎng)。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)使反應(yīng)的速率常數(shù)增大，根據(jù)阿侖尼烏斯公式k=A*e^(-Ea/RT)（其中k為反應(yīng)速率常數(shù)，A為指前因子，Ea為反應(yīng)活化能，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度），溫度T的升高會(huì)導(dǎo)致e^(-Ea/RT)的值增大，從而使反應(yīng)速率常數(shù)k增大，進(jìn)而提高石墨烯的生長(zhǎng)速率。但當(dāng)溫度超過(guò)一定范圍后，由于副反應(yīng)的發(fā)生和原子熱運(yùn)動(dòng)的加劇，生長(zhǎng)速率的增長(zhǎng)趨勢(shì)會(huì)逐漸變緩，甚至出現(xiàn)下降的情況。3.1.2對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響反應(yīng)溫度不僅對(duì)三維筋撐石墨烯的生長(zhǎng)速率有著重要影響，還對(duì)其結(jié)構(gòu)質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。在較低的反應(yīng)溫度下，如900℃，制備得到的三維筋撐石墨烯的結(jié)晶度較低，缺陷較多。這是因?yàn)樵诘蜏貤l件下，碳原子的遷移和排列不夠充分，難以形成規(guī)整的晶格結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致石墨烯片層中存在較多的空位、位錯(cuò)等缺陷。這些缺陷會(huì)破壞石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，影響其電學(xué)性能，使得材料的導(dǎo)電性降低。缺陷還會(huì)降低石墨烯的力學(xué)性能，使其在承受外力時(shí)更容易發(fā)生斷裂。隨著反應(yīng)溫度升高到1050℃，碳原子的活性增強(qiáng)，遷移能力提高，能夠更充分地排列和結(jié)晶，從而提高了石墨烯的結(jié)晶度，減少了缺陷的產(chǎn)生。此時(shí)制備得到的三維筋撐石墨烯具有較好的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，其石墨化程度較高，片層之間的連接更加緊密，晶格結(jié)構(gòu)更加規(guī)整。這種高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)使得石墨烯具有良好的電學(xué)性能，電子能夠在其中快速傳輸，提高了材料的導(dǎo)電性；在力學(xué)性能方面，也表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和韌性，能夠承受一定程度的外力而不發(fā)生破壞。然而，當(dāng)反應(yīng)溫度過(guò)高，如達(dá)到1200℃時(shí)，雖然石墨化程度可能會(huì)進(jìn)一步提高，但同時(shí)也會(huì)引入更多的缺陷。過(guò)高的溫度會(huì)使原子的熱運(yùn)動(dòng)過(guò)于劇烈，導(dǎo)致碳原子之間的鍵合不穩(wěn)定，容易發(fā)生斷裂和重組，從而產(chǎn)生更多的缺陷，如拓?fù)淙毕?、晶界缺陷等。這些缺陷會(huì)在一定程度上抵消高石墨化程度帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)石墨烯的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。在電學(xué)性能方面，缺陷會(huì)增加電子的散射概率，降低電子的遷移率，從而影響材料的導(dǎo)電性；在力學(xué)性能方面，缺陷會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，降低材料的強(qiáng)度和韌性，使其更容易發(fā)生破壞。通過(guò)拉曼光譜分析可以直觀地了解反應(yīng)溫度對(duì)三維筋撐石墨烯結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響。拉曼光譜中的D峰和G峰分別代表著石墨烯的缺陷和有序結(jié)構(gòu)。D峰的強(qiáng)度與缺陷的數(shù)量成正比，G峰的強(qiáng)度則與石墨烯的有序程度相關(guān)。當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí)，D峰強(qiáng)度較高，表明缺陷較多；隨著溫度升高到適宜范圍，D峰強(qiáng)度降低，G峰強(qiáng)度相對(duì)增強(qiáng)，說(shuō)明石墨烯的結(jié)晶度提高，結(jié)構(gòu)質(zhì)量改善；但當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，D峰強(qiáng)度又會(huì)升高，表明缺陷增多，結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降。3.2壓力與氣體流量3.2.1壓力的影響在三維筋撐石墨烯的制備過(guò)程中，壓力是一個(gè)不可忽視的重要因素，它對(duì)石墨烯的成核、生長(zhǎng)以及堆積方式都有著顯著的影響，進(jìn)而決定了產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能。以化學(xué)氣相沉積（CVD）法為例，在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)腔室內(nèi)的壓力會(huì)直接影響氣態(tài)碳源的濃度和分子的平均自由程。當(dāng)壓力較低時(shí)，氣態(tài)碳源分子的濃度相對(duì)較低，分子間的碰撞頻率降低，這使得碳源分子在基底表面的吸附和沉積速率減慢。在這種情況下，石墨烯的成核密度較低，生長(zhǎng)速率相對(duì)較慢，但由于原子有更充足的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和排列，有利于形成高質(zhì)量、結(jié)晶度高的石墨烯結(jié)構(gòu)。較低的壓力下，碳原子在基底表面的遷移距離較長(zhǎng)，能夠更充分地尋找合適的位置進(jìn)行沉積和鍵合，從而減少缺陷的產(chǎn)生，使得石墨烯片層的平整度和完整性更好。隨著壓力的升高，氣態(tài)碳源分子的濃度增大，分子間的碰撞頻率增加，這使得碳源分子在基底表面的吸附和沉積速率加快，石墨烯的成核密度增大，生長(zhǎng)速率提高。然而，過(guò)高的壓力也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響。由于碳源分子的沉積速率過(guò)快，原子來(lái)不及進(jìn)行充分的擴(kuò)散和排列，容易導(dǎo)致石墨烯的生長(zhǎng)不均勻，出現(xiàn)局部團(tuán)聚和缺陷增多的現(xiàn)象。在較高壓力下，大量的碳原子在短時(shí)間內(nèi)沉積在基底表面，可能會(huì)形成一些無(wú)序的堆積結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)會(huì)破壞石墨烯的晶格完整性，增加缺陷的數(shù)量，從而影響石墨烯的電學(xué)性能和力學(xué)性能。過(guò)高的壓力還可能導(dǎo)致石墨烯片層之間的相互作用增強(qiáng)，使得片層之間的堆積更加緊密，這雖然在一定程度上可以提高材料的密度，但也可能會(huì)阻礙離子和分子在材料內(nèi)部的傳輸，對(duì)其在某些應(yīng)用中的性能產(chǎn)生不利影響。在實(shí)際制備過(guò)程中，壓力的變化還會(huì)影響石墨烯的堆積方式。較低壓力下，石墨烯片層傾向于以較為疏松的方式堆積，形成具有較大孔隙率的三維結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于離子和分子的傳輸，在儲(chǔ)能、催化等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值；而在較高壓力下，石墨烯片層則可能會(huì)以更緊密的方式堆積，形成相對(duì)致密的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在需要高機(jī)械強(qiáng)度或阻隔性能的應(yīng)用中可能具有優(yōu)勢(shì)。3.2.2氣體流量的影響在化學(xué)氣相沉積法制備三維筋撐石墨烯的過(guò)程中，氣體流量，尤其是碳源氣體和載氣的流量，對(duì)制備過(guò)程和產(chǎn)物性能有著至關(guān)重要的影響。碳源氣體是提供碳原子的關(guān)鍵來(lái)源，其流量的大小直接決定了反應(yīng)體系中碳原子的濃度，進(jìn)而影響石墨烯的生長(zhǎng)速率和質(zhì)量。當(dāng)碳源氣體流量較低時(shí)，反應(yīng)體系中碳原子的濃度較低，這使得石墨烯的生長(zhǎng)速率較慢。在這種情況下，由于碳原子的供應(yīng)不足，石墨烯的成核和生長(zhǎng)過(guò)程受到限制，可能導(dǎo)致石墨烯的層數(shù)較少，無(wú)法形成完整的三維筋撐結(jié)構(gòu)。由于碳原子的沉積速率較慢，原子有更多的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和排列，有利于形成高質(zhì)量、缺陷較少的石墨烯結(jié)構(gòu)。隨著碳源氣體流量的增加，反應(yīng)體系中碳原子的濃度增大，石墨烯的生長(zhǎng)速率加快。充足的碳原子供應(yīng)使得石墨烯能夠在較短的時(shí)間內(nèi)形成多層結(jié)構(gòu)，有利于構(gòu)建三維筋撐結(jié)構(gòu)。然而，如果碳源氣體流量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致碳原子在基底表面的沉積速率過(guò)快，使得原子來(lái)不及進(jìn)行充分的擴(kuò)散和排列，從而容易導(dǎo)致石墨烯的生長(zhǎng)不均勻，出現(xiàn)局部團(tuán)聚和缺陷增多的現(xiàn)象。過(guò)多的碳原子在短時(shí)間內(nèi)沉積在基底表面，可能會(huì)形成一些無(wú)序的堆積結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)會(huì)破壞石墨烯的晶格完整性，降低其電學(xué)性能和力學(xué)性能。載氣在反應(yīng)過(guò)程中起著傳輸碳源氣體和維持反應(yīng)體系穩(wěn)定的重要作用，其流量的變化也會(huì)對(duì)制備過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)載氣流量較低時(shí)，碳源氣體在反應(yīng)腔室內(nèi)的擴(kuò)散速率較慢，這會(huì)導(dǎo)致碳源氣體在基底表面的分布不均勻，從而使得石墨烯的生長(zhǎng)不均勻。較低的載氣流量還可能導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物在反應(yīng)腔室內(nèi)積聚，影響反應(yīng)的進(jìn)行和產(chǎn)物的質(zhì)量。隨著載氣流量的增加，碳源氣體在反應(yīng)腔室內(nèi)的擴(kuò)散速率加快，能夠更均勻地分布在基底表面，有利于石墨烯的均勻生長(zhǎng)。合適的載氣流量還可以及時(shí)將反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物帶出反應(yīng)腔室，保持反應(yīng)體系的清潔，促進(jìn)反應(yīng)的順利進(jìn)行。然而，如果載氣流量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致碳源氣體在反應(yīng)腔室內(nèi)的停留時(shí)間過(guò)短，無(wú)法充分在基底表面沉積和反應(yīng)，從而使得石墨烯的生長(zhǎng)量減少，材料的比表面積和導(dǎo)電性也相應(yīng)降低。過(guò)大的載氣流量還可能會(huì)對(duì)反應(yīng)腔室內(nèi)的溫度分布產(chǎn)生影響，進(jìn)一步影響石墨烯的生長(zhǎng)過(guò)程。3.3基底材料3.3.1對(duì)生長(zhǎng)取向的影響基底材料在三維筋撐石墨烯的制備過(guò)程中扮演著至關(guān)重要的角色，其晶體結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)對(duì)石墨烯的生長(zhǎng)取向有著顯著的影響。以化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備三維筋撐石墨烯為例，不同的基底材料由于其晶體結(jié)構(gòu)的差異，會(huì)為石墨烯的生長(zhǎng)提供不同的模板和生長(zhǎng)位點(diǎn)，從而導(dǎo)致石墨烯呈現(xiàn)出不同的生長(zhǎng)取向。金屬基底是常用的一類基底材料，其中銅基底由于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，在三維筋撐石墨烯的生長(zhǎng)中具有典型的表現(xiàn)。銅的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方（FCC），其表面原子排列呈現(xiàn)出特定的周期性和對(duì)稱性。在CVD生長(zhǎng)過(guò)程中，碳原子在銅基底表面的吸附和擴(kuò)散行為受到銅原子排列的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在銅基底上生長(zhǎng)的三維筋撐石墨烯，其片層往往沿著銅基底的某些晶面方向生長(zhǎng)，呈現(xiàn)出一定的擇優(yōu)取向。這是因?yàn)樵谶@些晶面方向上，碳原子與銅原子之間的相互作用較強(qiáng)，能夠提供更穩(wěn)定的生長(zhǎng)位點(diǎn)，使得石墨烯片層更容易在這些方向上成核和生長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)銅基底進(jìn)行預(yù)處理，如表面拋光、刻蝕等，可以改變其表面的原子排列和粗糙度，進(jìn)而調(diào)控三維筋撐石墨烯的生長(zhǎng)取向。經(jīng)過(guò)特定的表面處理后，石墨烯片層的生長(zhǎng)取向可以更加均勻，或者按照特定的設(shè)計(jì)方向生長(zhǎng)，這對(duì)于制備具有特定性能和應(yīng)用需求的三維筋撐石墨烯具有重要意義。除了金屬基底，陶瓷基底也被廣泛應(yīng)用于三維筋撐石墨烯的制備，如二氧化硅（SiO?）基底。SiO?具有非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)，其表面原子排列相對(duì)無(wú)序。與金屬基底不同，在SiO?基底上生長(zhǎng)的三維筋撐石墨烯，其生長(zhǎng)取向相對(duì)較為隨機(jī)。這是因?yàn)镾iO?基底表面缺乏像金屬基底那樣規(guī)則的原子排列，無(wú)法為石墨烯的生長(zhǎng)提供明確的擇優(yōu)生長(zhǎng)方向。然而，這種相對(duì)隨機(jī)的生長(zhǎng)取向也為制備具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的三維筋撐石墨烯提供了可能性。在一些需要均勻分布的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，如催化劑載體、過(guò)濾材料等，SiO?基底上生長(zhǎng)的三維筋撐石墨烯可以提供更均勻的孔隙分布和更大的比表面積，有利于提高材料的性能?；撞牧系谋砻嫘再|(zhì)，如表面能、表面電荷等，也會(huì)對(duì)三維筋撐石墨烯的生長(zhǎng)取向產(chǎn)生影響。具有較高表面能的基底，能夠吸引更多的碳原子在其表面吸附和沉積，從而促進(jìn)石墨烯的生長(zhǎng)。表面電荷的存在則會(huì)影響碳原子在基底表面的擴(kuò)散路徑和吸附位置，進(jìn)而影響石墨烯的生長(zhǎng)取向。在一些表面帶有正電荷的基底上，帶負(fù)電的碳原子更容易在其表面吸附，并且在電場(chǎng)的作用下，碳原子的擴(kuò)散方向也會(huì)受到影響，導(dǎo)致石墨烯的生長(zhǎng)取向發(fā)生改變。3.3.2對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響基底材料與石墨烯之間的相互作用對(duì)三維筋撐石墨烯的最終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)形態(tài)，包括孔徑大小、孔分布和骨架結(jié)構(gòu)等，有著深遠(yuǎn)的影響。在三維筋撐石墨烯的制備過(guò)程中，基底材料不僅為石墨烯的生長(zhǎng)提供了支撐和模板，其與石墨烯之間的物理和化學(xué)相互作用還會(huì)直接參與到三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過(guò)程中。以泡沫鎳作為基底制備三維筋撐石墨烯為例，泡沫鎳具有三維多孔的骨架結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)為石墨烯的生長(zhǎng)提供了豐富的位點(diǎn)和空間。在化學(xué)氣相沉積（CVD）過(guò)程中，碳原子在泡沫鎳的骨架表面沉積并反應(yīng)生成石墨烯。由于泡沫鎳的孔結(jié)構(gòu)和骨架分布，石墨烯會(huì)沿著泡沫鎳的骨架生長(zhǎng)，逐漸包裹住骨架，形成三維筋撐結(jié)構(gòu)。在這個(gè)過(guò)程中，泡沫鎳的孔徑大小和分布直接決定了三維筋撐石墨烯的孔徑大小和分布。如果泡沫鎳的孔徑較大，那么生長(zhǎng)在其上的三維筋撐石墨烯的孔徑也會(huì)相應(yīng)較大，形成大孔結(jié)構(gòu)；反之，如果泡沫鎳的孔徑較小，石墨烯則會(huì)形成小孔結(jié)構(gòu)。泡沫鎳的骨架結(jié)構(gòu)也會(huì)影響三維筋撐石墨烯的骨架結(jié)構(gòu)，使其與泡沫鎳的骨架結(jié)構(gòu)相匹配，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)。不同的基底材料與石墨烯之間的相互作用強(qiáng)度不同，這也會(huì)對(duì)三維筋撐石墨烯的結(jié)構(gòu)形態(tài)產(chǎn)生影響。一些基底材料與石墨烯之間存在較強(qiáng)的化學(xué)相互作用，如化學(xué)鍵合。這種強(qiáng)相互作用會(huì)使石墨烯緊密地附著在基底表面，在生長(zhǎng)過(guò)程中，石墨烯會(huì)受到基底的約束，形成與基底表面形貌密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)形態(tài)。在一些具有特定表面圖案的基底上，由于石墨烯與基底之間的化學(xué)相互作用，石墨烯會(huì)沿著表面圖案生長(zhǎng)，形成具有特定圖案的三維結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在微納電子器件、傳感器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。而當(dāng)基底材料與石墨烯之間的相互作用較弱時(shí)，如僅存在較弱的物理吸附作用，石墨烯在生長(zhǎng)過(guò)程中受到的約束較小，其結(jié)構(gòu)形態(tài)相對(duì)更加自由。在這種情況下，石墨烯可能會(huì)在基底表面形成較為疏松的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔徑分布也可能更加均勻。這種結(jié)構(gòu)在需要高比表面積和良好吸附性能的應(yīng)用中，如氣體吸附、儲(chǔ)能等領(lǐng)域，具有優(yōu)勢(shì)?；撞牧系谋砻娲植诙纫矔?huì)對(duì)三維筋撐石墨烯的結(jié)構(gòu)形態(tài)產(chǎn)生影響。表面粗糙度較大的基底，會(huì)提供更多的成核位點(diǎn)，使得石墨烯在生長(zhǎng)過(guò)程中更容易形成分支和交叉的結(jié)構(gòu)，從而形成更加復(fù)雜和豐富的三維網(wǎng)絡(luò)。這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以增加材料的比表面積和孔隙率，提高材料的性能。而表面光滑的基底，石墨烯的生長(zhǎng)相對(duì)較為均勻，形成的三維結(jié)構(gòu)相對(duì)較為規(guī)整。四、三維筋撐石墨烯的特性4.1高導(dǎo)電性4.1.1原理分析從微觀層面來(lái)看，石墨烯的高導(dǎo)電性與其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。石墨烯是由碳原子以六角形晶格緊密排列而成的二維材料，每個(gè)碳原子通過(guò)共價(jià)鍵與周圍三個(gè)碳原子相連，剩余一個(gè)未成鍵的電子，這個(gè)電子能夠在整個(gè)石墨烯平面內(nèi)自由移動(dòng)，形成了離域的π電子云。這種離域的π電子云使得石墨烯具有極高的電子遷移率，在室溫下，石墨烯的電子遷移率可達(dá)200,000cm2/V/s，這意味著電子在石墨烯中能夠快速地傳輸，從而賦予了石墨烯出色的導(dǎo)電性。在三維筋撐石墨烯中，這種高導(dǎo)電性得到了進(jìn)一步的優(yōu)化和拓展。三維筋撐結(jié)構(gòu)通過(guò)構(gòu)建更加高效的電子傳輸通道，使得電子在材料內(nèi)部的傳輸更加順暢。三維筋撐石墨烯中的石墨烯片層相互交織，形成了復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅增加了電子的傳輸路徑，還使得電子能夠在不同的石墨烯片層之間快速跳躍，從而提高了電子的傳輸效率。當(dāng)電子在某一片層上傳輸遇到阻礙時(shí)，它可以通過(guò)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)迅速轉(zhuǎn)移到其他片層，繼續(xù)進(jìn)行傳輸，避免了電子的堆積和傳輸中斷。從量子力學(xué)的角度分析，三維筋撐結(jié)構(gòu)對(duì)石墨烯電子態(tài)的調(diào)控作用也對(duì)其導(dǎo)電性產(chǎn)生了重要影響。在三維筋撐石墨烯中，由于石墨烯片層之間的相互作用和空間排列的變化，電子的波函數(shù)會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致電子態(tài)的分布和能級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整。這種調(diào)整使得電子在材料中的傳輸更加有序，減少了電子的散射和能量損失，進(jìn)一步提高了材料的導(dǎo)電性。研究表明，三維筋撐結(jié)構(gòu)可以使石墨烯的電子態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)附近發(fā)生變化，增加了電子的有效傳輸通道，從而提高了材料的電導(dǎo)率。4.1.2應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在鋰硫電池中，高導(dǎo)電性的三維筋撐石墨烯具有至關(guān)重要的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高電池的充放電效率和倍率性能起著關(guān)鍵作用。在充放電過(guò)程中，鋰硫電池的正極需要快速地傳遞電子，以實(shí)現(xiàn)硫與鋰離子之間的氧化還原反應(yīng)。由于硫本身是絕緣體，其導(dǎo)電性極差，這嚴(yán)重阻礙了電荷的傳輸過(guò)程，導(dǎo)致電池的充放電效率低下。而三維筋撐石墨烯作為硫正極的載體，能夠?yàn)榱蛱峁┝己玫膶?dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有效地彌補(bǔ)了硫?qū)щ娦圆畹娜毕?。?dāng)電池充電時(shí)，電子能夠通過(guò)三維筋撐石墨烯快速地傳輸?shù)搅蝾w粒表面，使硫被氧化為多硫化物；在放電過(guò)程中，電子又能從多硫化物快速地傳輸?shù)酵獠侩娐罚瑢?shí)現(xiàn)電能的輸出。這大大提高了電池的充放電速度，使得電池能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成充放電過(guò)程，提高了電池的使用效率。三維筋撐石墨烯的高導(dǎo)電性對(duì)鋰硫電池的倍率性能也有著顯著的提升作用。倍率性能是指電池在不同電流密度下的充放電能力，高倍率性能意味著電池能夠在大電流下快速充放電，滿足高功率應(yīng)用的需求。在高倍率充放電時(shí)，電池內(nèi)部的電荷傳輸速度需要更快，以避免極化現(xiàn)象的發(fā)生。極化會(huì)導(dǎo)致電池的電壓下降，容量降低，影響電池的性能。三維筋撐石墨烯的高導(dǎo)電性能夠保證在高倍率下電子的快速傳輸，減少極化現(xiàn)象的發(fā)生。即使在大電流密度下，電子也能夠迅速地在三維筋撐石墨烯網(wǎng)絡(luò)中傳輸，使得硫能夠充分地參與電化學(xué)反應(yīng)，從而提高電池的倍率性能。當(dāng)電流密度增大時(shí)，使用三維筋撐石墨烯的鋰硫電池能夠保持較高的容量輸出，而普通鋰硫電池的容量則會(huì)迅速下降。4.2良好的機(jī)械性能4.2.1結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系三維筋撐石墨烯的機(jī)械性能與其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，這種結(jié)構(gòu)在承受外力時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)力分布和變形機(jī)制。從微觀層面來(lái)看，三維筋撐結(jié)構(gòu)由石墨烯片層相互交織、連接形成，類似于一個(gè)復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得應(yīng)力能夠在整個(gè)材料中均勻分散，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，應(yīng)力首先作用于與外力接觸的石墨烯片層，這些片層通過(guò)與其他片層之間的連接點(diǎn)，將應(yīng)力迅速傳遞到整個(gè)三維網(wǎng)絡(luò)中。由于石墨烯片層具有較高的強(qiáng)度和韌性，能夠承受一定程度的拉伸和彎曲，使得整個(gè)三維筋撐結(jié)構(gòu)能夠有效地分散和承受外力。在三維筋撐結(jié)構(gòu)中，石墨烯片層之間的連接方式對(duì)機(jī)械性能也有著重要影響。這些連接點(diǎn)可以是共價(jià)鍵、π-π相互作用或其他化學(xué)鍵，它們的存在增強(qiáng)了片層之間的結(jié)合力，使得三維結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。共價(jià)鍵的連接方式能夠提供較強(qiáng)的結(jié)合力，使得片層之間的相對(duì)位移更加困難，從而提高了材料的強(qiáng)度和剛性。而π-π相互作用雖然相對(duì)較弱，但在一定程度上也能夠增強(qiáng)片層之間的相互作用，使得材料在受力時(shí)能夠保持較好的整體性。當(dāng)三維筋撐石墨烯受到拉伸力時(shí)，石墨烯片層會(huì)沿著拉伸方向發(fā)生一定程度的伸長(zhǎng)和變形。由于片層之間的連接作用，相鄰片層會(huì)相互牽制，共同抵抗拉伸力，使得材料能夠承受較大的拉伸應(yīng)力。在這個(gè)過(guò)程中，片層之間的連接點(diǎn)會(huì)發(fā)生一定的變形，但由于其較強(qiáng)的結(jié)合力，能夠保持片層之間的連接，避免材料的斷裂。當(dāng)受到彎曲力時(shí)，三維筋撐結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)調(diào)整片層之間的相對(duì)位置和角度，來(lái)適應(yīng)彎曲變形。在彎曲過(guò)程中，外層的石墨烯片層會(huì)受到拉伸應(yīng)力，而內(nèi)層的片層則受到壓縮應(yīng)力，但由于三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的支撐作用，材料能夠有效地分散這些應(yīng)力，避免局部應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致的破壞。4.2.2實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)“鋼筋石墨烯”泡沫作為一種典型的三維筋撐石墨烯材料，在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出了出色的機(jī)械性能。這種材料通過(guò)在三維多孔石墨烯結(jié)構(gòu)中引入類似鋼筋的增強(qiáng)相，進(jìn)一步提高了其機(jī)械性能。在支撐重物的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，“鋼筋石墨烯”泡沫表現(xiàn)出了卓越的承載能力。將一定質(zhì)量的重物放置在“鋼筋石墨烯”泡沫上，泡沫能夠穩(wěn)定地支撐重物，自身的變形極小。這是因?yàn)槿S筋撐結(jié)構(gòu)能夠有效地分散重物施加的壓力，使得壓力均勻分布在整個(gè)材料上?！颁摻钍迸菽某錾珯C(jī)械性能還體現(xiàn)在其良好的抗沖擊性能上。當(dāng)受到外界的沖擊載荷時(shí)，泡沫能夠迅速吸收沖擊能量，通過(guò)自身的變形來(lái)緩沖沖擊，從而保護(hù)被支撐的物體免受損壞。在一些抗震、抗沖擊的應(yīng)用場(chǎng)景中，“鋼筋石墨烯”泡沫可以作為緩沖材料，有效地減少外界沖擊對(duì)設(shè)備或結(jié)構(gòu)的影響。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的輕量化和高強(qiáng)度要求極高?！颁摻钍迸菽捎谄涞兔芏群透邫C(jī)械強(qiáng)度的特點(diǎn)，有望成為一種理想的航空航天材料。它可以用于制造飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身等結(jié)構(gòu)部件，在減輕飛機(jī)重量的同時(shí)，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而提高飛機(jī)的燃油效率和飛行性能。在汽車制造領(lǐng)域，“鋼筋石墨烯”泡沫也可以用于制造汽車的車身結(jié)構(gòu)件，降低汽車的重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)增強(qiáng)車身的安全性和抗撞擊能力。4.3大比表面積與多孔結(jié)構(gòu)4.3.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三維筋撐石墨烯具有獨(dú)特的大比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，這是其區(qū)別于普通石墨烯的重要特征之一。從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，三維筋撐石墨烯由石墨烯片層相互交織、連接形成三維網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，存在著豐富的孔隙，這些孔隙大小不一，分布在不同的尺度范圍內(nèi)。在三維筋撐石墨烯中，微孔（孔徑小于2nm）、介孔（孔徑在2-50nm之間）和大孔（孔徑大于50nm）同時(shí)存在。微孔的存在極大地增加了材料的比表面積，使得三維筋撐石墨烯能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于物質(zhì)的吸附和化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。介孔則在物質(zhì)傳輸過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，它為離子和分子的擴(kuò)散提供了通道，有助于提高反應(yīng)速率。大孔的存在則為硫等活性物質(zhì)的負(fù)載提供了空間，能夠有效提高活性物質(zhì)的負(fù)載量。這種多孔結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制與制備方法密切相關(guān)。以化學(xué)氣相沉積法為例，在制備過(guò)程中，氣態(tài)碳源在基底表面分解并沉積，由于基底的三維結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)條件的影響，碳原子在沉積過(guò)程中會(huì)形成不同尺寸的孔隙。在泡沫鎳基底上生長(zhǎng)三維筋撐石墨烯時(shí)，泡沫鎳的多孔結(jié)構(gòu)為碳原子的沉積提供了豐富的位點(diǎn)，同時(shí)，反應(yīng)過(guò)程中的氣體流量、溫度等因素會(huì)影響碳原子的沉積速率和分布，從而導(dǎo)致孔隙的形成。當(dāng)氣體流量較大時(shí)，碳原子在基底表面的沉積速率較快，可能會(huì)形成較大尺寸的孔隙；而當(dāng)氣體流量較小時(shí)，碳原子的沉積較為均勻，可能會(huì)形成更多的微孔和介孔。溶液法制備三維筋撐石墨烯時(shí)，其多孔結(jié)構(gòu)的形成與氧化石墨烯的還原和交聯(lián)過(guò)程有關(guān)。在還原過(guò)程中，氧化石墨烯被還原為石墨烯，同時(shí)片層之間通過(guò)交聯(lián)劑或自身的相互作用形成三維網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)過(guò)程中，由于反應(yīng)體系中分子的運(yùn)動(dòng)和相互作用，會(huì)在片層之間形成孔隙。加入的交聯(lián)劑分子的大小和濃度會(huì)影響孔隙的大小和分布，當(dāng)交聯(lián)劑分子較大且濃度較高時(shí)，可能會(huì)形成較大尺寸的孔隙；反之，則可能形成較小的孔隙。4.3.2對(duì)吸附和反應(yīng)的影響三維筋撐石墨烯的大比表面積和多孔結(jié)構(gòu)對(duì)吸附多硫化物、促進(jìn)硫的氧化還原反應(yīng)以及提高活性物質(zhì)利用率具有重要作用。在鋰硫電池中，多硫化物的穿梭效應(yīng)是影響電池性能的關(guān)鍵問(wèn)題之一。三維筋撐石墨烯的大比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)能夠提供大量的吸附位點(diǎn)，通過(guò)物理吸附作用將多硫化物束縛在電極材料內(nèi)部。微孔和介孔的存在使得多硫化物能夠進(jìn)入到材料的內(nèi)部，增加了多硫化物與材料的接觸面積，從而增強(qiáng)了物理吸附作用。三維筋撐石墨烯表面的一些官能團(tuán)或與其他元素的摻雜可以與多硫化物發(fā)生化學(xué)吸附作用，進(jìn)一步提高對(duì)多硫化物的吸附能力。研究表明，通過(guò)在三維筋撐石墨烯中引入氮摻雜，能夠增加材料表面的電子云密度，使得多硫化物與材料之間的化學(xué)吸附作用增強(qiáng)，從而更有效地抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)還能夠促進(jìn)硫的氧化還原反應(yīng)。大比表面積為硫提供了更多的活性位點(diǎn)，使得硫能夠更充分地參與電化學(xué)反應(yīng)。在充放電過(guò)程中，硫在這些活性位點(diǎn)上與鋰離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成多硫化物和硫化鋰。多孔結(jié)構(gòu)為離子和分子的傳輸提供了通道，縮短了鋰離子和電子的傳輸路徑，提高了反應(yīng)速率。在硫的氧化還原反應(yīng)過(guò)程中，鋰離子需要在電極材料中快速傳輸，與硫發(fā)生反應(yīng)。三維筋撐石墨烯的多孔結(jié)構(gòu)能夠使得鋰離子迅速地?cái)U(kuò)散到硫的表面，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高電池的充放電效率。三維筋撐石墨烯的大比表面積和多孔結(jié)構(gòu)對(duì)提高活性物質(zhì)利用率也有著顯著的作用。在鋰硫電池中，活性物質(zhì)利用率的高低直接影響電池的容量和性能。由于三維筋撐石墨烯能夠有效地吸附多硫化物，減少了活性物質(zhì)的損失，使得更多的硫能夠參與電化學(xué)反應(yīng)。多孔結(jié)構(gòu)為硫的負(fù)載提供了空間，能夠提高硫的負(fù)載量，同時(shí)保證硫在電極材料中的均勻分布，使得硫能夠充分地與電解液和鋰離子接觸，提高了活性物質(zhì)的利用率。研究發(fā)現(xiàn)，采用三維筋撐石墨烯作為硫正極載體的鋰硫電池，其活性物質(zhì)利用率相比普通電極材料有了顯著提高，電池的容量和循環(huán)穩(wěn)定性也得到了明顯改善。五、在鋰硫電池中的應(yīng)用5.1鋰硫電池工作原理5.1.1充放電過(guò)程鋰硫電池的充放電過(guò)程基于硫和鋰之間的可逆氧化還原反應(yīng)，其獨(dú)特的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理決定了電池的性能表現(xiàn)。在鋰硫電池中，通常以單質(zhì)硫作為正極活性材料，金屬鋰作為負(fù)極。在放電過(guò)程中，硫首先得到電子被還原，發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。具體來(lái)說(shuō)，在高電壓平臺(tái)（約2.4V），硫（S?）首先經(jīng)歷兩步反應(yīng)，各獲得一個(gè)電子，被還原成S???，接著S???環(huán)斷裂成S???（n=3-8），并發(fā)生一系列化學(xué)偶聯(lián)反應(yīng)，生成多硫化鋰Li?Sn（n=3-8）和S??、S??等陰離子自由基。隨著放電的進(jìn)行，進(jìn)入低電壓平臺(tái)（約2.1V），S??和S??進(jìn)一步得到電子生成S???（n=3-4），并發(fā)生化學(xué)偶聯(lián)反應(yīng)得到S2?和S?2?，再與Li?結(jié)合生成最終產(chǎn)物L(fēng)i?S和Li?S?。這個(gè)過(guò)程中，鋰離子從負(fù)極脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)遷移到正極，與被還原的硫物種結(jié)合，而電子則通過(guò)外電路從負(fù)極流向正極，從而實(shí)現(xiàn)電能的輸出。其總反應(yīng)方程式可表示為：nS+2Li→Li?Sn。充電過(guò)程則是放電過(guò)程的逆反應(yīng)。Li?S和Li?S?在正極失去電子被氧化，經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)及電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成S???（n=6-8），但由于反應(yīng)的不完全性，不能徹底被氧化成單質(zhì)硫。在充電過(guò)程中，鋰離子從正極脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)回到負(fù)極，電子則從正極通過(guò)外電路回到負(fù)極。充電反應(yīng)在充電曲線中對(duì)應(yīng)2.5-2.4V附近的充電平臺(tái)。從微觀角度來(lái)看，在充放電過(guò)程中，硫的結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。放電時(shí)，硫從固態(tài)的S?分子逐漸轉(zhuǎn)化為液態(tài)的多硫化鋰，再到固態(tài)的Li?S和Li?S?。這種結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了體積的變化，給電極結(jié)構(gòu)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。由于硫和多硫化鋰的電導(dǎo)率較低，電荷傳輸過(guò)程受到阻礙，影響了電池的性能。5.1.2性能特點(diǎn)鋰硫電池具有一系列顯著的性能特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有巨大的潛力，但同時(shí)也面臨著一些挑戰(zhàn)。從理論性能來(lái)看，鋰硫電池具有極高的理論比容量和能量密度。根據(jù)單位質(zhì)量的單質(zhì)硫完全變?yōu)镾2?所能提供的電量，可得出硫的理論放電質(zhì)量比容量為1675mAh/g，這一數(shù)值約為傳統(tǒng)鋰離子電池正極材料的10倍。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V，當(dāng)硫與鋰完全反應(yīng)生成硫化鋰（Li?S）時(shí)，相應(yīng)的理論放電質(zhì)量比能量高達(dá)2600Wh/kg，這使得鋰硫電池在高能量密度需求的應(yīng)用場(chǎng)景中具有很大的優(yōu)勢(shì)，如電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，鋰硫電池也暴露出一些缺點(diǎn)。單質(zhì)硫和放電產(chǎn)物硫化鋰的電導(dǎo)率極低，室溫下硫的電導(dǎo)率僅為5×10?3?S/cm，Li?S/Li?S?的電導(dǎo)率也在～10?3?S/cm，這嚴(yán)重阻礙了電荷的傳遞，導(dǎo)致硫的利用率較低，通常只有50-70%左右。在充放電過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一系列可溶于電解液的多硫化鋰（Li?Sn，n>2），這些多硫化鋰會(huì)發(fā)生“穿梭效應(yīng)”，即從正極穿過(guò)隔膜到達(dá)負(fù)極，在負(fù)極表面被還原成不溶性的Li?S沉積下來(lái)，這不僅會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)的損失，降低電極材料的利用率，還會(huì)造成電池的自放電，嚴(yán)重影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命。單質(zhì)硫在轉(zhuǎn)化為不溶性硫化物的過(guò)程中，由于硫（密度約為2.07g/cm3）和硫化鋰（密度約為1.66g/cm3）密度的差異，會(huì)產(chǎn)生顯著的體積變化，約為80%左右，這會(huì)導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)一步降低電極的穩(wěn)定性，使得電池的實(shí)際容量難以達(dá)到理論值，循環(huán)性能和倍率性能也不盡人意。5.2三維筋撐石墨烯的作用5.2.1促進(jìn)電荷傳輸在鋰硫電池中，電荷傳輸?shù)男蕦?duì)電池的性能起著決定性作用。三維筋撐石墨烯以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性能，為促進(jìn)電荷傳輸提供了強(qiáng)大的支持。從微觀層面來(lái)看，三維筋撐石墨烯的高導(dǎo)電性是促進(jìn)電荷傳輸?shù)年P(guān)鍵因素之一。石墨烯本身就是一種優(yōu)異的導(dǎo)電材料，其電子遷移率極高，室溫下可達(dá)200,000cm2/V/s。在三維筋撐石墨烯中，這種高導(dǎo)電性得到了進(jìn)一步的優(yōu)化和拓展。三維筋撐結(jié)構(gòu)通過(guò)構(gòu)建更加高效的電子傳輸通道，使得電子在材料內(nèi)部的傳輸更加順暢。三維筋撐石墨烯中的石墨烯片層相互交織，形成了復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅增加了電子的傳輸路徑，還使得電子能夠在不同的石墨烯片層之間快速跳躍，從而提高了電子的傳輸效率。當(dāng)電子在某一片層上傳輸遇到阻礙時(shí)，它可以通過(guò)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)迅速轉(zhuǎn)移到其他片層，繼續(xù)進(jìn)行傳輸，避免了電子的堆積和傳輸中斷。在充放電過(guò)程中，三維筋撐石墨烯的存在使得硫正極的導(dǎo)電性得到了顯著改善。由于硫本身是絕緣體，其導(dǎo)電性極差，這嚴(yán)重阻礙了電荷的傳輸過(guò)程，導(dǎo)致電池的充放電效率低下。而三維筋撐石墨烯作為硫正極的載體，能夠?yàn)榱蛱峁┝己玫膶?dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有效地彌補(bǔ)了硫?qū)щ娦圆畹娜毕?。?dāng)電池充電時(shí)，電子能夠通過(guò)三維筋撐石墨烯快速地傳輸?shù)搅蝾w粒表面，使硫被氧化為多硫化物；在放電過(guò)程中，電子又能從多硫化物快速地傳輸?shù)酵獠侩娐罚瑢?shí)現(xiàn)電能的輸出。這大大提高了電池的充放電速度，使得電池能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成充放電過(guò)程，提高了電池的使用效率。研究表明，采用三維筋撐石墨烯的鋰硫電池在充放電過(guò)程中的電荷轉(zhuǎn)移電阻明顯降低。通過(guò)電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，未使用三維筋撐石墨烯的鋰硫電池在高頻區(qū)呈現(xiàn)出較大的半圓，這代表著電荷轉(zhuǎn)移電阻較大；而使用三維筋撐石墨烯的電池，其高頻區(qū)的半圓明顯減小，說(shuō)明電荷轉(zhuǎn)移電阻降低，電子能夠更快速地在電極材料中傳輸，從而提高了電池的充放電效率。5.2.2抑制穿梭效應(yīng)在鋰硫電池的充放電過(guò)程中，多硫化物的穿梭效應(yīng)是導(dǎo)致電池性能下降的主要原因之一。三維筋撐石墨烯憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，能夠有效地抑制穿梭效應(yīng)，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命。從物理吸附的角度來(lái)看，三維筋撐石墨烯具有大比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)為多硫化物提供了大量的吸附位點(diǎn)。微孔（孔徑小于2nm）、介孔（孔徑在2-50nm之間）和大孔（孔徑大于50nm）同時(shí)存在于三維筋撐石墨烯中，微孔的存在極大地增加了材料的比表面積，使得三維筋撐石墨烯能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于多硫化物的吸附。介孔則在物質(zhì)傳輸過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，它為多硫化物的擴(kuò)散提供了通道，有助于多硫化物進(jìn)入到材料的內(nèi)部，增加與材料的接觸面積，從而增強(qiáng)物理吸附作用。多硫化鋰（Li?Sn，n>2）在電解液中溶解后，會(huì)在濃度差的作用下向負(fù)極擴(kuò)散，而三維筋撐石墨烯的孔隙結(jié)構(gòu)能夠像“迷宮”一樣，阻礙多硫化物的擴(kuò)散路徑，使其在孔隙中不斷被吸附和脫附，從而減少了多硫化物到達(dá)負(fù)極的數(shù)量。三維筋撐石墨烯還可以通過(guò)化學(xué)作用來(lái)抑制穿梭效應(yīng)。通過(guò)在三維筋撐石墨烯中引入一些具有極性的官能團(tuán)，如羥基（-OH）、羧基（-COOH）等，這些官能團(tuán)能夠與多硫化物發(fā)生化學(xué)吸附作用，形成化學(xué)鍵或較強(qiáng)的分子間作用力，從而更牢固地束縛多硫化物。在三維筋撐石墨烯中引入氮摻雜，能夠增加材料表面的電子云密度，使得多硫化物與材料之間的化學(xué)吸附作用增強(qiáng)。氮原子的電負(fù)性較大，能夠吸引多硫化物中的硫原子，形成較強(qiáng)的化學(xué)吸附作用，從而有效地抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了使用三維筋撐石墨烯和未使用三維筋撐石墨烯的鋰硫電池的循環(huán)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未使用三維筋撐石墨烯的電池在循環(huán)過(guò)程中，由于多硫化物的穿梭效應(yīng)，容量衰減較快，經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后，容量保持率僅為50%左右；而使用三維筋撐石墨烯的電池，在經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后，容量保持率仍能達(dá)到70%以上，這充分說(shuō)明了三維筋撐石墨烯在抑制穿梭效應(yīng)方面的顯著效果。5.2.3提高硫利用率硫利用率是衡量鋰硫電池性能的重要指標(biāo)之一，它直接影響著電池的實(shí)際容量和能量密度。三維筋撐石墨烯的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，為提高硫利用率提供了有力的保障。三維筋撐石墨烯的大比表面積和多孔結(jié)構(gòu)為硫的負(fù)載提供了充足的空間和豐富的活性位點(diǎn)。大比表面積使得三維筋撐石墨烯能夠與硫充分接觸，增加了硫與電解液的接觸面積，從而提高了硫的反應(yīng)活性。多孔結(jié)構(gòu)則為硫的分散提供了良好的環(huán)境，能夠有效避免硫顆粒的團(tuán)聚，使得硫能夠更均勻地分布在電極材料中。在三維筋撐石墨烯的多孔結(jié)構(gòu)中，硫顆粒可以填充在微孔和介孔中，不僅增加了硫的負(fù)載量，還保證了硫在電極材料中的均勻分布，使得硫能夠充分地與電解液和鋰離子接觸，提高了硫的利用率。這種結(jié)構(gòu)還能夠促進(jìn)硫的氧化還原反應(yīng)，進(jìn)一步提高硫利用率。在鋰硫電池的充放電過(guò)程中，硫的氧化還原反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)和釋放的關(guān)鍵。三維筋撐石墨烯的多孔結(jié)構(gòu)為離子和分子的傳輸提供了通道，縮短了鋰離子和電子的傳輸路徑，提高了反應(yīng)速率。在硫的氧化還原反應(yīng)過(guò)程中，鋰離子需要在電極材料中快速傳輸，與硫發(fā)生反應(yīng)。三維筋撐石墨烯的多孔結(jié)構(gòu)能夠使得鋰離子迅速地?cái)U(kuò)散到硫的表面，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高了硫的利用率。研究表明，采用三維筋撐石墨烯作為硫正極載體的鋰硫電池，其硫利用率相比普通電極材料有了顯著提高。通過(guò)恒流充放電測(cè)試（GCD）可以發(fā)現(xiàn)，使用三維筋撐石墨烯的電池在相同的充放電條件下，能夠釋放出更多的電量，實(shí)際比容量更接近硫的理論比容量。在0.2C的倍率下，普通鋰硫電池的硫利用率可能只有60%左右，而使用三維筋撐石墨烯的電池，硫利用率可以提高到80%以上，這充分說(shuō)明了三維筋撐石墨烯在提高硫利用率方面的重要作用。5.3應(yīng)用案例分析5.3.1案例一：某研究中電池性能提升分析在某一具有代表性的研究中，科研團(tuán)隊(duì)專注于探究三維筋撐石墨烯對(duì)鋰硫電池性能的影響，通過(guò)一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)試，深入分析了電池在倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)方面的提升情況。在倍率性能方面，該研究采用了多種不同的電流密度對(duì)電池進(jìn)行充放電測(cè)試。當(dāng)電流密度為0.2C時(shí)，使用三維筋撐石墨烯作為硫正極載體的鋰硫電池展現(xiàn)出了卓越的性能。其首次放電比容量高達(dá)1200mAh/g，這一數(shù)值與未使用三維筋撐石墨烯的普通鋰硫電池相比，有了顯著的提高。普通鋰硫電池在相同電流密度下，首次放電比容量可能僅為800mAh/g左右。隨著電流密度逐漸增大到1C，該電池依然能夠保持較高的容量輸出，放電比容量可達(dá)800mAh/g，而普通鋰硫電池的容量則大幅下降，僅能達(dá)到400mAh/g左右。當(dāng)電流密度進(jìn)一步提升至2C時(shí)，使用三維筋撐石墨烯的電池仍能維持500mAh/g的放電比容量，展現(xiàn)出了良好的倍率性能。這一優(yōu)異的表現(xiàn)得益于三維筋撐石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)電性。三維筋撐結(jié)構(gòu)構(gòu)建了高效的電子傳輸通道，使得電子能夠在電極材料中快速傳輸，即使在高電流密度下，也能滿足電池對(duì)電荷傳輸?shù)男枨?，從而保證了電池在不同倍率下都能保持較高的容量輸出。在循環(huán)穩(wěn)定性方面，該研究對(duì)電池進(jìn)行了多次循環(huán)充放電測(cè)試。經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后，使用三維筋撐石墨烯的鋰硫電池容量保持率高達(dá)70%。而普通鋰硫電池在相同的循環(huán)次數(shù)下，容量保持率可能僅為40%左右。這一顯著的差異充分體現(xiàn)了三維筋撐石墨烯在抑制多硫化物穿梭效應(yīng)和緩解硫正極體積變化方面的重要作用。三維筋撐石墨烯的大比表面積和多孔結(jié)構(gòu)能夠有效地吸附多硫化物，減少其在電解液中的溶解和擴(kuò)散，從而抑制了穿梭效應(yīng)，減少了活性物質(zhì)的損失。三維筋撐石墨烯良好的機(jī)械性能和柔韌性能夠在一定程度上緩沖硫正極的體積變化，保持電極結(jié)構(gòu)的完整性，進(jìn)而提高了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)這個(gè)案例的分析可以清晰地看出，三維筋撐石墨烯的應(yīng)用能夠顯著提升鋰硫電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，為鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用提供了有力的支持。5.3.2案例二：不同制備方法的應(yīng)用效果對(duì)比在鋰硫電池的研究中，不同制備方法得到的三維筋撐石墨烯在電池中的應(yīng)用效果存在顯著差異。為了深入探究制備方法對(duì)電池性能的影響，研究人員選取了化學(xué)氣相沉積（CVD）法、溶液法和3D打印法制備的三維筋撐石墨烯，并將它們分別應(yīng)用于鋰硫電池，對(duì)電池的各項(xiàng)性能進(jìn)行了全面的測(cè)試和對(duì)比分析。從倍率性能來(lái)看，CVD法制備的三維筋撐石墨烯展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)。在0.5C的倍率下，使用CVD法制備的三維筋撐石墨烯的鋰硫電池首次放電比容量可達(dá)1000mAh/g，當(dāng)倍率提高到2C時(shí)，放電比容量仍能保持在600mAh/g左右。這是因?yàn)镃VD法制備的三維筋撐石墨烯具有較高的結(jié)晶度和較少的缺陷，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性良好，能夠?yàn)殡姵卦诟弑堵氏碌某浞烹娞峁┓€(wěn)定的電子傳輸通道，從而保證了較高的容量輸出。溶液法制備的三維筋撐石墨烯在倍率性能方面表現(xiàn)相對(duì)較弱。在0.5C的倍率下，使用溶液法制備的三維筋撐石墨烯的鋰硫電池首次放電比容量約為800mAh/g，當(dāng)倍率提高到2C時(shí)，放電比容量下降到4