三维石墨烯及其在储能、传感器领域的应用

图1  石墨烯泡沫

备注：英国剑桥大学工程系科学摄影大赛第一名作品-石墨烯泡沫，它是日益增大的石墨烯层在多孔金属泡沫框架上形成的。

三维（3D）石墨烯通常是指具有3D结构的二维（2D）石墨烯组装体，是近年来石墨烯化学领域的新型功能材料。将2D石墨烯片整合成具有3D结构的组装体可以有效调控石墨烯的电学、光学、机械、化学和催化特性。因此3D石墨烯材料不仅具有石墨烯固有的理化性质，其三维多孔的微/纳米结构还使其兼具比表面积大、机械强度高、电子传导能力优越及传质快速等优良特性。

三维石墨烯用于储能器件

与石墨烯粉末相比，具有三维连通网络结构的石墨烯泡沫不仅具有高孔隙率、高比表面积，还具有弹性高、柔性好、制作超级电容器电极不用粘结剂等优点，大大拓展了石墨烯的应用空间，为石墨烯在柔性导电、储能材料等领域的应用奠定了基础。

近日，中科院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室成会明、任文才带领研究团队在石墨烯三维体材料的宏量制备和应用方面取得重要突破。相关研究成果于4月10日在《自然材料》上在线发表，并在4月14日出版的《自然》杂志上作为研究亮点予以介绍。

该课题组研究人员采用兼具平面和曲面结构特点的泡沫金属作为生长基体，利用CVD方法制备出具有三维连通网络结构的泡沫状石墨烯体材料。研究发现，这种石墨烯体材料完整地复制了泡沫金属的结构，石墨烯以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，具有优异的电荷传导能力、850立方米/克的比表面积、99.7%的孔隙率和5毫克/立方厘米的极低密度。并且，这种方法可控性好，易于放大，通过改变工艺条件可以调控石墨烯的平均层数、石墨烯网络的比表面积、密度和导电性。采用基体卷曲的方法，研究人员可制备出170×220平方毫米及更大面积的石墨烯泡沫材料。

三维石墨烯用于传感器

3D石墨烯材料具有高的比表面积，优异的电子传导性能和特殊的微观结构，可有效提高活性分子固载量及电传导性能，在超灵敏生物传感器构筑中具有潜在应用价值。目前，用于传感器构筑的3D石墨烯材料包括CVD生长的3D GF及其复合物、复合石墨烯气凝胶、电极上的石墨烯修饰膜，无支载的石墨烯纸等。

石墨烯传感器的工作原理：石墨烯作为P型半导体，其导电性会受到吸附上来的气体分子的影响，通过确定电导率变化及目标气体浓度间的变化关系，就可以通过测量石墨烯的电导率变化从而测得目标气体的浓度，属于电阻式传感器。

据美国《大众科学》网站报道，美国伦斯勒理工学院的科学家使用石墨烯泡沫最新研制出了一款纤巧、便宜且能重复使用的新式传感器。他们将石墨烯，即单层碳原子，种植在泡沫镍结构上，随后移除泡沫镍，留下一个类似泡沫的石墨烯结构，其具有独特的电性，能够用于执行传感任务，性能远超现在市面上的商用气体传感器，当将其暴露于空气中时，空气中的粒子会被吸收到泡沫表面，而且每个这样的粒子会用不同的方式影响石墨烯泡沫，对其电阻进行微小的改动。让电流通过其中并且测量电阻的变化，就能知道泡沫上依附的是什么粒子。科学家们让大约100毫安的电流通过该泡沫，结果发现，这种石墨烯泡沫能够导致粒子解吸，也就是说，粒子自动从传感器上剥落下来，清除这些粒子，传感器就可以重复使用了。

科学家们对传感器进行了微调，让其来探测氨水（自制爆炸物硝酸氨的关键成分），该石墨烯泡沫传感器在5分钟到10分钟内就设法探测到了这种富有攻击性的粒子，而且效率是现有市面上最好探测器的10倍。科学家们接着用其来探测有毒气体二氧化氮（爆炸物分解的时候也会释放出这种气体），结果表明，其效率也是目前商用传感器的10倍。