美國(guó)萊斯大學(xué)（Rice University）曾以粉末冶金模板法合成了具有三維結(jié)構(gòu)的石墨烯泡沫，其具有自支撐、高比表面積和導(dǎo)電性，但是想要將這些特性用在高機(jī)械性能的領(lǐng)域內(nèi)，該材料還會(huì)受到一定的限制。

如今，萊斯大學(xué)的科研人員用機(jī)械性能較強(qiáng)和高導(dǎo)電性的碳納米管來(lái)強(qiáng)化該材料，制備成了“鋼筋石墨烯”泡沫。這種材料能支撐超過(guò)自身重量3150倍的重量，擴(kuò)大了石墨烯泡沫的應(yīng)用范圍。

上述萊斯大學(xué)的研究于今年2月初發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)-應(yīng)用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上。該學(xué)術(shù)論文的通訊作者和該研究首席研究員James M. Tour表示，此前做的三維石墨烯泡沫的機(jī)械強(qiáng)度不夠，無(wú)法將其應(yīng)用在其團(tuán)隊(duì)想要應(yīng)用的領(lǐng)域，他們選用了碳納米管來(lái)加強(qiáng)石墨烯泡沫的機(jī)械強(qiáng)度。

碳納米管充當(dāng)增強(qiáng)條（鋼筋），通過(guò)兩個(gè)π-π鍵堆積和共價(jià)鍵增強(qiáng)石墨烯，其中碳納米管部分解壓縮并結(jié)合形成2D無(wú)縫的雜化物，這被結(jié)構(gòu)的石墨烯稱(chēng)為是“鋼筋石墨烯”。

該研究團(tuán)隊(duì)就是將碳納米管與粉末狀的鎳催化劑和糖混合以獲取碳，然后將該物質(zhì)的干燥顆粒在螺絲釘形狀的鋼模中壓制，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法將糖中的碳轉(zhuǎn)化為石墨烯。除去殘留的少量鎳，最終的結(jié)果是螺絲釘形狀的石墨烯泡沫。此次制備的材料為三維結(jié)構(gòu)的“鋼筋石墨烯”泡沫。

當(dāng)將該材料放在電子顯微鏡下，研究人員發(fā)現(xiàn)納米管的外層已經(jīng)開(kāi)始與石墨烯結(jié)合，這使得該材料能夠支撐較重的物體。研究人員經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該材料可以承載超過(guò)其自身重量3150倍的物體，即使當(dāng)支撐的重量超過(guò)其自身重量8500倍時(shí)，也僅有25%的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生永久性變形。相比之下，此前Tour團(tuán)隊(duì)制備的沒(méi)有碳納米管強(qiáng)化的石墨烯泡沫支撐物體的重量?jī)H為其自身重量的150倍。

在他們的研究中，他們制備的是一個(gè)螺絲釘狀的材料。但Tour表示，利用這種方式可以制備成任何的形狀和尺寸，將這個(gè)概念擴(kuò)展到宏觀材料也是十分有意義的。該研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試了“鋼筋石墨烯”泡沫作為鋰離子電容器中的高度多孔的導(dǎo)電電極，發(fā)現(xiàn)其在機(jī)械和化學(xué)性能上都是穩(wěn)定的。這也意味著該“鋼筋石墨烯”泡沫材料有希望作為三維結(jié)構(gòu)的電極，應(yīng)用在比如鋰離子電池和鋰空氣電池等相關(guān)產(chǎn)品中。