日本東北大學與西班牙阿利坎特大學等組成的研究小組2016年7月13日宣布，開發(fā)出了細孔壁主要由單層石墨烯構(gòu)成的中孔多孔體“石墨烯中孔海綿體（GMS）”。這是一種具有約5.8nm微細小孔（細孔）的海綿狀材料，不僅像活性碳一樣具有很高的比表面積，還具備與石墨一樣的導電性和耐腐蝕性。另外還可實現(xiàn)大幅彈性變形，有望為構(gòu)筑基于新原理的能量轉(zhuǎn)換元器件做出貢獻。

石墨烯由于是一種二維片狀物質(zhì)，因此僅限于薄膜及電子元器件等二維用途。近年來，研究人員開始將石墨烯制成具有三維骨架的多孔體，從而將其應(yīng)用于吸附、催化劑、電池等與能源相關(guān)的各個領(lǐng)域，相關(guān)研究日趨活躍。碳類多孔體廣泛使用具有直徑數(shù)nm以下微細小孔（細孔）的活性碳。而將石墨烯制成同樣的多孔體時，由于會形成小斷片狀的構(gòu)造，因此存在導電率下降的問題，而且石墨烯存在大量端部（邊緣），因此容易腐蝕。

此次研究發(fā)現(xiàn)，通過用氧化鋁納米顆粒制成鑄模，合成結(jié)晶性較高的碳多孔體（CMS），并在1800℃的溫度下實施熱處理，便可轉(zhuǎn)換為以高品質(zhì)單層石墨烯為主要成分的碳多孔體。由于形成了擁有名為“中孔”的微小細孔的發(fā)泡體構(gòu)造，因此幾乎不存在導致腐蝕的石墨烯端部，從而實現(xiàn)了與活性碳（1000～2600m²/g）一樣高的比表面積（1940m²/g），同時還具備超過碳黑的導電性和耐腐蝕性。

將GMS用作電雙層電容器（EDLC）的電極材料時，由于沒有石墨烯端部，不易劣化，因此可在靜電容量較大的情況下，直接將工作電壓增加至4V左右，能夠?qū)崿F(xiàn)為原來約2倍的能量密度。原來的活性碳由于容易劣化，因此無法將工作電壓升高到約2.8V以上。并且，通過將GMS用作固體高分子型燃料電池的鉑催化劑的載體，與原來以碳黑為材料相比，有望實現(xiàn)更長的壽命。另外，GMS還有望應(yīng)用于鋰離子電池等的導電輔助劑以及其他各種充電電池材料等多種用途。

此外，GMS與石墨烯一樣，兼具柔軟性和強韌的拉伸強度，因此完全可以像海綿一樣柔軟地彈性變形，通過施加應(yīng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)細孔尺寸從大約5.8nm到0.7nm以下的可逆性變形。近年來，在有機類多孔體領(lǐng)域，納米細孔的彈性變形備受關(guān)注，不過無論是無機類還是有機類，還沒有出現(xiàn)過能夠?qū)崿F(xiàn)如此大幅彈性變形的材料。GMS可利用外力來調(diào)節(jié)放入納米級細孔內(nèi)部的物質(zhì)數(shù)量，因此有望為構(gòu)筑基于新原理的能量轉(zhuǎn)換元器件做出貢獻。

此次研究成果已于2016年7月14日（德國時間）刊登在德國國際科學雜志《Advanced Functional Materials》的在線版上。（特約撰稿人：工藤 宗介）

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