上海硅酸鹽所等發(fā)現(xiàn)一種三維石墨烯管的“超級材料”

　　兼具高比剛度、高比強(qiáng)度、強(qiáng)能量吸收等優(yōu)點(diǎn)的Cellular Materials（多孔材料），可應(yīng)用于復(fù)合材料、環(huán)境、能源和生物等領(lǐng)域。構(gòu)建密度低于10 mg/cm³超輕材料為目前國際研究熱點(diǎn)，例如金屬（Ni-P）、陶瓷（Al₂O₃）基等超晶格結(jié)構(gòu)。然而，隨著密度的降低，這些材料的力學(xué)、電學(xué)性能呈指數(shù)（n>2）降低，同時(shí)材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及可恢復(fù)形變顯著變差?？茖W(xué)家夢寐以求的碳基的cellular materials，由碳納米管或石墨烯組成，兼具優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能。這要求結(jié)構(gòu)單元（碳管或石墨烯片之間）由共價(jià)鍵連接，但是難以實(shí)現(xiàn)。

　　最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、賓夕法尼亞大學(xué)和北京大學(xué)合作研究，畢輝、陳一葦和黃富強(qiáng)等發(fā)現(xiàn)了一種三維石墨烯管的“超級材料”（圖1），屬于一種新型的具有分級多孔結(jié)構(gòu)的cellular material，兼具遠(yuǎn)優(yōu)于已有碳材料的強(qiáng)力學(xué)、低密度、高導(dǎo)電等特性。該石墨烯宏觀體的密度可低達(dá)1 mgcm^-3（連續(xù)可調(diào)），比表面積可高達(dá)1000 m²g^-1。該三維石墨烯首次由四連接的石墨烯納米管通過碳碳共價(jià)鍵鍵合，形成類似金剛石的四配位三維穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。

　　該三維石墨烯管具有高強(qiáng)度，壓縮模量可達(dá)100MPa，可以支撐自身重量的40,000倍，沒有發(fā)生明顯形變（圖2），同時(shí)還具有超高彈性，壓縮形變95%以上，循環(huán)1000次后幾乎可完全恢復(fù)，為所有cellular materials之最。石墨烯空管材料擁有優(yōu)異的電導(dǎo)率，電導(dǎo)率可達(dá)70 Scm^-1，三維石墨烯管可作為性能優(yōu)異的彈性導(dǎo)體，其力學(xué)和電學(xué)性能是目前報(bào)道的多孔石墨烯的1-2個(gè)數(shù)量級高，可以應(yīng)用于新能源領(lǐng)域。此外，該材料具有超疏水特性，吸附有機(jī)溶劑超快，吸附有機(jī)溶劑達(dá)自身重量的600倍以上，可用于污水處理，如海上漏油等。

　　相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市科委重點(diǎn)基金項(xiàng)目的資助，相關(guān)結(jié)果于學(xué)術(shù)雜志《先進(jìn)材料》（Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.201502682）上發(fā)表。

圖1 三維石墨烯管宏觀和微觀形貌

圖2 三維石墨烯管優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)吸附性能