“钢筋石墨烯”泡沫有多强：可支撑超其自身重量三千倍的负载

楠楠

美国莱斯大学（Rice University）曾以粉末冶金模板法合成了具有三维结构的石墨烯泡沫，其具有自支撑、高比表面积和导电性，但是想要将这些特性用在高机械性能的领域内，该材料还会受到一定的限制。

如今，莱斯大学的科研人员用机械性能较强和高导电性的碳纳米管来强化该材料，制备成了“钢筋石墨烯”泡沫。这种材料能支撑超过自身重量3150倍的重量，扩大了石墨烯泡沫的应用范围。

上述莱斯大学的研究于今年2月初发表在国际学术期刊《美国化学会-应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上。该学术论文的通讯作者和该研究首席研究员James M. Tour表示，此前做的三维石墨烯泡沫的机械强度不够，无法将其应用在其团队想要应用的领域，他们选用了碳纳米管来加强石墨烯泡沫的机械强度。


碳纳米管充当增强条（钢筋），通过两个π-π键堆积和共价键增强石墨烯，其中碳纳米管部分解压缩并结合形成2D无缝的杂化物，这被结构的石墨烯称为是“钢筋石墨烯”。

该研究团队就是将碳纳米管与粉末状的镍催化剂和糖混合以获取碳，然后将该物质的干燥颗粒在螺丝钉形状的钢模中压制，通过化学气相沉积法将糖中的碳转化为石墨烯。除去残留的少量镍，最终的结果是螺丝钉形状的石墨烯泡沫。此次制备的材料为三维结构的“钢筋石墨烯”泡沫。


当将该材料放在电子显微镜下，研究人员发现纳米管的外层已经开始与石墨烯结合，这使得该材料能够支撑较重的物体。研究人员经实验发现，该材料可以承载超过其自身重量3150倍的物体，即使当支撑的重量超过其自身重量8500倍时，也仅有25%的结构会发生永久性变形。相比之下，此前Tour团队制备的没有碳纳米管强化的石墨烯泡沫支撑物体的重量仅为其自身重量的150倍。

在他们的研究中，他们制备的是一个螺丝钉状的材料。但Tour表示，利用这种方式可以制备成任何的形状和尺寸，将这个概念扩展到宏观材料也是十分有意义的。该研究团队测试了“钢筋石墨烯”泡沫作为锂离子电容器中的高度多孔的导电电极，发现其在机械和化学性能上都是稳定的。这也意味着该“钢筋石墨烯”泡沫材料有希望作为三维结构的电极，应用在比如锂离子电池和锂空气电池等相关产品中。