最近，沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室的成會(huì)明、任文才帶領(lǐng)的石墨烯研究團(tuán)隊(duì)在石墨烯三維體材料的宏量制備和應(yīng)用方面取得重要突破。他們采用兼具平面和曲面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的泡沫金屬作為生長(zhǎng)基體，利用CVD方法制備出具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的泡沫狀石墨烯體材料。研究發(fā)現(xiàn)，這種石墨烯體材料完整地復(fù)制了泡沫金屬的結(jié)構(gòu)，石墨烯以無縫連接的方式構(gòu)成一個(gè)全連通的整體，具有優(yōu)異的電荷傳導(dǎo)能力、~850 m2/g 的比表面積、~99.7%的孔隙率和~5 mg/cm3的極低密度（圖1）。并且，這種方法可控性好，易于放大，通過改變工藝條件可以調(diào)控石墨烯的平均層數(shù)、石墨烯網(wǎng)絡(luò)的比表面積、密度和導(dǎo)電性，并且采用基體卷曲的方法，研究人員可制備出170 × 220 mm2及更大面積的石墨烯泡沫材料。相關(guān)研究成果于4月11日在Nature Materials上在線發(fā)表（DOI: 10.1038/NMAT3001, (2011)）。

石墨烯（graphene）是一種新型炭材料，它具有由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)。石墨烯獨(dú)特而完美的結(jié)構(gòu)使它具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等特性，例如石墨烯具有100倍于硅的超高載流子遷移率、高達(dá)130GPa的強(qiáng)度、很好的柔韌性和近20%的伸展率、超高熱導(dǎo)率、高達(dá)2600m2/g的比表面積，并且?guī)捉该鳎诤軐挼牟ǘ蝺?nèi)光吸收只有2.3%。這些優(yōu)異的物理性質(zhì)使石墨烯在射頻晶體管、超靈敏傳感器、柔性透明導(dǎo)電薄膜、超強(qiáng)和高導(dǎo)復(fù)合材料、高性能鋰離子電池和超級(jí)電容器等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

高質(zhì)量石墨烯的大量制備以及把具有單原子層或數(shù)原子層厚度的石墨烯片組裝成具有特定結(jié)構(gòu)的體材料，對(duì)綜合利用石墨烯眾多的優(yōu)異性質(zhì)、實(shí)現(xiàn)其宏量應(yīng)用具有極其重要的意義。自2004年以來，科學(xué)家們已發(fā)展出多種制備石墨烯的方法，包括機(jī)械剝離法、SiC或金屬單晶表面外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氧化剝離法、插層剝離法及化學(xué)氣相沉積(CVD)法等。2006年，RS Ruoff研究組首先使用化學(xué)氧化剝離法制得的石墨烯制備出具有高強(qiáng)度的紙狀石墨烯體材料，隨后人們又相繼制備出石墨烯柔性透明導(dǎo)電薄膜和三維多孔體材料，極大地拓展了石墨烯的應(yīng)用空間。然而，基于化學(xué)氧化剝離法制備的石墨烯體材料往往具有較差的電學(xué)性能。最近，CVD方法的迅速發(fā)展極大促進(jìn)了大面積高質(zhì)量石墨烯的制備及其在透明導(dǎo)電薄膜方面的應(yīng)用。但是，目前CVD方法多以銅箔、鎳膜等平面型金屬作為生長(zhǎng)基體，只能得到二維平面的石墨烯薄膜，雖然適于納電子器件和透明導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用，但難以滿足復(fù)合材料、儲(chǔ)能材料等宏量應(yīng)用的要求。

基于石墨烯泡沫獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，金屬研究所科研人員采用原位聚合的方法制備出石墨烯泡沫/硅橡膠復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在石墨烯添加量?jī)H為~0.5 wt%的條件下，復(fù)合材料的電導(dǎo)率可達(dá)~10 S/cm（圖2），比基于化學(xué)氧化剝離法制備的相同添加量的石墨烯復(fù)合材料的電導(dǎo)率提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)，也高于基于高質(zhì)量碳納米管的復(fù)合材料的電導(dǎo)率。而且，這種復(fù)合材料具有很好的柔韌性和穩(wěn)定性（圖3），在彎折和拉伸等條件下僅有很小的電阻變化（如50%拉伸應(yīng)變條件下的電阻變化<20%），在應(yīng)力釋放后可迅速恢復(fù)其原有形貌和電阻值，因此是一種理想的彈性導(dǎo)體材料，在柔性顯示器、可穿戴式移動(dòng)通訊設(shè)備和人造皮膚等柔性電子方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

該研究團(tuán)隊(duì)提出的以多孔金屬作為生長(zhǎng)基體是石墨烯CVD生長(zhǎng)的一條新思路，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的大量制備，也為具有特定結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用的石墨烯三維體材料的制備提供了一個(gè)基本策略。這種石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)體材料集成了三維網(wǎng)絡(luò)獨(dú)特的形貌特征和石墨烯獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，不僅具有極低的密度、極高的孔隙率和高比表面積，而且還具有石墨烯優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，拓展了石墨烯的物性和應(yīng)用空間，為石墨烯在柔性導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱管理、電磁屏蔽、吸波、催化、傳感及儲(chǔ)能材料等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該研究得到了國家基金委和中科院的支持。

圖2 石墨烯泡沫/硅橡膠復(fù)合材料及其導(dǎo)電性和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3 石墨烯泡沫/硅橡膠復(fù)合材料在應(yīng)力下的形貌和電阻變化。