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    上海硅酸盐所等单位发现一种堪称超级材料的石墨烯新结构和新奇应用
    文章来源:中国科学院       更新时间:2015年09月24日

     兼具高比刚度、高比强度、强能量吸收等优点的Cellular Materials(多孔材料),可应用于复合材料、环境、能源和生物等领域。构建密度低于10 mg/cm3超轻材料为目前国际研究热点,例如金属(Ni-P)、陶瓷(Al2O3)基等超晶格结构。然而,随着密度的降低,这些材料的力学、电学性能呈指数(n>2)降低,同时材料结构的稳定性以及可恢复形变显著变差。科学家梦寐以求碳基的cellular materials,由碳纳米管或石墨烯组成,兼具优异的力学和电学性能。这要求结构单元(碳管、或石墨烯片之间)由共价键连接,但是难以实现。 

      最近中国科学院上海硅酸盐研究所、宾夕法尼亚大学和北京大学合作研究,毕辉博士、陈一苇教授和黄富强教授等发现了一种三维石墨烯管的“超级材料”(图1),属于一种新型的具有分级多孔结构的cellular material,兼具远优于已有碳材料的强力学、低密度、高导电等特性。该石墨烯宏观体的密度可低达1 mgcm-3(连续可调),比表面积可高达1000 m2g-1。该三维石墨烯首次由四连接的石墨烯纳米管通过碳碳共价键键合,形成类似金刚石的四配位三维稳固结构。 

      

      三维石墨烯管宏观和微观形貌

      该三维石墨烯管具有高强度,压缩模量可达100MPa,可以支撑自身重量的40,000倍,没有发生明显形变(图2),同时还具有超高弹性,压缩形变95%以上,循环1000次后几乎可完全恢复,为所有cellular materials之最。石墨烯空管材料拥有优异的电导率,电导率可达70 Scm-1,三维石墨烯管可作为性能优异的弹性导体,其力学和电学性能是目前报道的多孔石墨烯的1-2个数量级高,可以应用于新能源领域。此外,该材料具有超疏水特性,吸附有机溶剂超快,吸附有机溶剂达自身重量的600倍以上,可用于污水处理,如海上漏油等。 

      相关工作得到了国家自然科学基金、上海市科委重点基金项目的资助,相关结果于材料科学界权威的学术杂志《先进材料》(Advanced Materials,DOI: 10.1002/adma.201502682)上发表。  

      

      图2 三维石墨烯管优异的力学、电学和化学吸附性能 

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