三维可压缩弹性碳材料具有重量轻、导电性高、力学性能和热稳定性好、吸附容量大、环境相容性好等优点，吸引了越来越多的关注，在科学和工程领域，特别是在柔性和可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。文章总结了三维碳可压缩组件在碳纳米管和纳米纤维海绵、石墨烯气凝胶、生物质和合成聚合物海绵的合成、性能和应用方面的最新进展。本文还从引入杂原子、聚合物、过渡金属氧化物/硫化物或其他客体等方面阐述了结构特征与性能的关系，以改善3D碳海绵的电化学性能。此外，还讨论了它们在传感、能量存储和转换、环保、隔热和催化等方面的应用。尽管有许多不同的应用，但也对挑战和前景提出了简要的展望。
 
  
图1. 三维碳组件的前驱体、结构和应用。三维碳组件的前驱体主要包括石墨烯、碳纳米管、生物质和合成聚合物。三维碳组件的压缩机理。三维碳组件的结构模型。三维碳组件的应用。
 
 
图2. 不同干燥工艺的单相图示意图。
 
 
图3.  a)超临界CO₂干燥和b)冷冻干燥石墨烯气凝胶的SEM图像。c)定向冷冻法制备C-CNC/rGO-X气凝胶的示意图。d)碳-石墨烯(C-G)整体制作示意图。e)石墨烯气凝胶的合成过程示意图。
 

图4. a)将两个立方形海绵致密成小颗粒，并在吸收乙醇后完全恢复到原来的结构。b)由碳纳米管（CNT）为骨架和开孔组成海绵的示意图。c) CNTs /PEDOT海绵复合材料的制备过程示意图。d)CNTs/PEDOT海绵的SEM图像。e)由无定形碳焊接的CNT的示意图。f)拉伸和压缩下的接头焊接泡沫。
 
 
图5. 水竹芋茎的a)数码照片和c)SEM图像。b)BCS设计和制造过程的示意图。d)WCS的设计和制造过程图解。e)碳海绵的SEM图像。f)制作过程图。g)Co₃O₄/MCS的SEM图像。
 
 
图6. a)可压缩气凝胶的压阻曲线。b)可压缩传感器的微小应变-电阻曲线。c)弯曲诱导阻力作为微小位移的函数。组装好的传感器可以检测到微小的弯曲角度(0.052^°)。d)单壁碳纳米管壁（SWCNT）的透射电子显微镜（TEM）图像；e)在T=−100、+25、300和500°时石墨烯包覆的单壁碳纳米管气凝胶的蠕变曲线。f)GE-1000的应力-应变曲线。g)退火的石墨烯弹性体的压缩强度。 
 

图7. a)GSs对各种有机液体的吸附能力。b)分组石墨烯球20次循环的吸油和解吸性能。c)气凝胶对GO和MWCNT-PDA质量比不同的各种有机溶剂的超吸收能力。d)GCPCA在吸收燃烧循环下吸收正己烷的可回收性。e)MGC对各种有机和油溶剂的超吸收能力。f） MGC通过燃烧法的可回收性。
 
 
图8. a)NRGO/MWCNTs复合泡沫的EM吸收机理示意图。b)RL值随S5频率和厚度而变化。c)ϕw为8 wt%的S5三维RL曲线。d)与其他已报道的泡沫基材料的EM吸收性能比较。e)RL值与S2的频率和厚度(0~5 mm)的二维等值线。
 

图9. a)循环测试显示，在100 mV s^-1时1000次充电和放电循环后，电容保持率>80%。b)ε=50%，1000次循环，在CNT和CNT PPy海绵中的记录应力值。c)不同海绵在不同扫描速率下的比电容。d)循环测试显示CNT@PPy@MnO₂海绵比CNT@PPy和CNT@MnO₂海绵在100 mV s^-1时1000次充电和放电循环后稳定性更好。e)不同类型海绵在不同扫描速率下的比电容。f)四类海绵在不同扫描速率下的比电容。g)CV扫描速率为100 mV ss^-1时电容保持值与循环次数的关系曲线。h)PPy/aMS CFs在不同压缩条件、不同扫描速率下的Cv曲线图，曲线a、b和c对应于0%，30%，60%的压缩变形。i)在相同的扫描速率下，Cm和Cv随压缩程度的变化趋势。
 

图10. a)CNT海绵和CNT@Fe₂O₃海绵在不同扫描速率下的比电容。b) CNT@Fe₂O₃海绵在100 mV s^-1扫描速率下的循环性能。c) CNT@Fe₂O₃海绵在扫描速率为5 mV s^-1、1000次压缩循环前后的循环伏安曲线(ε=50%)。d)电容保持率。e)在ε=60%时，CS-NCS复合材料在100次重复压缩-释放循环期间的高度变化。f)这些电极在8Ag^-1时的循环性能。g)CS-NCS电极在不同应变时的循环性能和相应的压缩状态。h)CS和CS-NCS电极的重量电容和体积电容的比较。
 
 
图11. a)在不同w-CNT负载水平、不同压缩应变时w-CNT/PDMS的K。w-CNT/PDMS复合材料在b)120℃和c)−40℃的循环压缩应力-应变曲线。d)室温下CTA-25和二氧化硅气凝胶的导热系数随湿度的变化。e)壳层厚度为25 nm的电缆气凝胶和管状气凝胶的隔热性能。f)直径为4 cm、高度为2 cm的圆柱形CTA放置在表面温度保持在400℃左右的热板上的热像图。
 
 
图12. a-c)在检测生物信号方面的应用：手腕脉搏、吞咽、行走、跑步和跳跃。d)在柔性钢琴垫中的应用。e,f)以不同速度按下键盘时产生的音量。g)弹性鞋垫使用海绵，站立时的足底压力分布。h,i)步行和跑步过程中应力的动态变化。
 

图13. a)在30 mg L^-1不同催化剂存在时，4-NP的相对浓度(C_t/C₀)与催化持续时间的关系。b) ln(C_t/C₀)与反应时间之间的对应线性关系。c)不同电流密度下MnCo₂O_4.5和MnCo₂O_4+x/CS的比电容。d)在1.0 M KOH中以5 mV s^-1的扫描速率测量了这些电极对HER的极化曲线。e)相应的η10和起始过电压值。f)在1.0 M KOH中过电位为300mV s^-1的Nyquist曲线。g)在1.0 M KOH中以5 mV s^-1的扫描速率测量了这些电极的极化曲线。h)相应的η10和J400值。i)在1.0 M KOH中过电位为350 mV s^-1的Nyquist曲线。

       相关研究成果由西安理工大学Zhen Wang等人于2021年发表在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。

转自《石墨烯杂志》公众号