石墨烯三维骨架结构—合成、性质及应用

三维石墨烯材料的扫描电镜照片

石墨烯（Graphene）是近年来备受关注的二维单原子层碳材料，具有很多优异特性，如高导电性、高比表面积、高导热性和优异的机械性能，因此在很多领域都有很好的应用前景。但是由于石墨烯片层之间强烈的吸引力，导致固态的石墨烯由于聚集而失去了单分散石墨烯具有的高比表面积等优异性能。为解决这一困扰，科研工作者们设想若将每一片石墨烯连接在一起形成三维蜂窝状骨架结构，则可以使固态的石墨烯展现与单片石墨烯相似的优异性能。

由南开大学化学学院马延风副研究员和陈永胜教授共同撰写的综述文章“石墨烯三维骨架结构：合成、性质及应用”已在《国家科学评论》2015年第1期发表。这篇综述性论文介绍了三维石墨烯材料的合成方法，分析了不同结构的三维石墨烯材料在性能上的相似之处与差异，总结了近年来三维石墨烯材料的应用研究进展，着重阐述了石墨烯泡沫和石墨烯海绵的制备、结构控制以及最新应用，并展望了这类碳材料的未来发展趋势。

几种典型的三维石墨烯结构包括石墨烯泡沫、石墨烯海绵、石墨烯气凝胶和石墨烯水凝胶。石墨烯泡沫最初是以泡沫镍为模版制备的，石墨烯片层在镍表面生长并连接为一个整体，因此继承了泡沫镍各向同性的、多孔的三维骨架结构。石墨烯海绵也具有多孔结构，但制备方法与石墨烯泡沫不同，在其结构中部分石墨烯片层平行排列，形成了各向异性的结构特征。这种材料的命名是由于它类似海绵的可循环利用的高效的吸附性能。石墨烯水凝胶和气凝胶通常用溶胶-凝胶法制备，先通过水热等过程将氧化石墨烯交联形成水凝胶，再通过冷冻干燥或超临界干燥除去水分生成气凝胶。这些三维石墨烯材料结构和性质存在差异，但它们都拥有高比表面积和孔隙率，低密度，高导电率等共同的特性。因此，它们在吸附、催化、传感、能量转化与储存以及生物医药等领域都具有很好的应用前景。