圖1 ?石墨烯泡沫

備注：英國劍橋大學(xué)工程系科學(xué)攝影大賽第一名作品-石墨烯泡沫，它是日益增大的石墨烯層在多孔金屬泡沫框架上形成的。

三維（3D）石墨烯通常是指具有3D結(jié)構(gòu)的二維（2D）石墨烯組裝體，是近年來石墨烯化學(xué)領(lǐng)域的新型功能材料。將2D石墨烯片整合成具有3D結(jié)構(gòu)的組裝體可以有效調(diào)控石墨烯的電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械、化學(xué)和催化特性。因此3D石墨烯材料不僅具有石墨烯固有的理化性質(zhì)，其三維多孔的微/納米結(jié)構(gòu)還使其兼具比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高、電子傳導(dǎo)能力優(yōu)越及傳質(zhì)快速等優(yōu)良特性。

三維石墨烯用于儲能器件

與石墨烯粉末相比，具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯泡沫不僅具有高孔隙率、高比表面積，還具有彈性高、柔性好、制作超級電容器電極不用粘結(jié)劑等優(yōu)點(diǎn)，大大拓展了石墨烯的應(yīng)用空間，為石墨烯在柔性導(dǎo)電、儲能材料等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

近日，中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室成會明、任文才帶領(lǐng)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。相關(guān)研究成果于4月10日在《自然材料》上在線發(fā)表，并在4月14日出版的《自然》雜志上作為研究亮點(diǎn)予以介紹。

該課題組研究人員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)成一個全連通的整體，具有優(yōu)異的電荷傳導(dǎo)能力、850立方米/克的比表面積、99.7%的孔隙率和5毫克/立方厘米的極低密度。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。采用基體卷曲的方法，研究人員可制備出170×220平方毫米及更大面積的石墨烯泡沫材料。

三維石墨烯用于傳感器

3D石墨烯材料具有高的比表面積，優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能和特殊的微觀結(jié)構(gòu)，可有效提高活性分子固載量及電傳導(dǎo)性能，在超靈敏生物傳感器構(gòu)筑中具有潛在應(yīng)用價值。目前，用于傳感器構(gòu)筑的3D石墨烯材料包括CVD生長的3D GF及其復(fù)合物、復(fù)合石墨烯氣凝膠、電極上的石墨烯修飾膜，無支載的石墨烯紙等。

石墨烯傳感器的工作原理：石墨烯作為P型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性會受到吸附上來的氣體分子的影響，通過確定電導(dǎo)率變化及目標(biāo)氣體濃度間的變化關(guān)系，就可以通過測量石墨烯的電導(dǎo)率變化從而測得目標(biāo)氣體的濃度，屬于電阻式傳感器。

據(jù)美國《大眾科學(xué)》網(wǎng)站報(bào)道，美國倫斯勒理工學(xué)院的科學(xué)家使用石墨烯泡沫最新研制出了一款纖巧、便宜且能重復(fù)使用的新式傳感器。他們將石墨烯，即單層碳原子，種植在泡沫鎳結(jié)構(gòu)上，隨后移除泡沫鎳，留下一個類似泡沫的石墨烯結(jié)構(gòu)，其具有獨(dú)特的電性，能夠用于執(zhí)行傳感任務(wù)，性能遠(yuǎn)超現(xiàn)在市面上的商用氣體傳感器，當(dāng)將其暴露于空氣中時，空氣中的粒子會被吸收到泡沫表面，而且每個這樣的粒子會用不同的方式影響石墨烯泡沫，對其電阻進(jìn)行微小的改動。讓電流通過其中并且測量電阻的變化，就能知道泡沫上依附的是什么粒子?？茖W(xué)家們讓大約100毫安的電流通過該泡沫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種石墨烯泡沫能夠?qū)е铝Ｗ咏馕簿褪钦f，粒子自動從傳感器上剝落下來，清除這些粒子，傳感器就可以重復(fù)使用了。

科學(xué)家們對傳感器進(jìn)行了微調(diào)，讓其來探測氨水（自制爆炸物硝酸氨的關(guān)鍵成分），該石墨烯泡沫傳感器在5分鐘到10分鐘內(nèi)就設(shè)法探測到了這種富有攻擊性的粒子，而且效率是現(xiàn)有市面上最好探測器的10倍。科學(xué)家們接著用其來探測有毒氣體二氧化氮（爆炸物分解的時候也會釋放出這種氣體），結(jié)果表明，其效率也是目前商用傳感器的10倍。