本文刊载于《科学观察》2014年第9卷第6期P35—P36。如果您喜欢，欢迎订购我刊。@版权所有中国科学院文献情报中心《科学观察》编辑部。未经许可，不得转载。

石墨烯(graphene)是由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶体结构，具有优异的电学、力学、热学和光学等特性。例如，石墨烯具有超高载流子迁移率、高强度、很好的柔韧性和近20%的伸展率、10倍于铜的超高热导率、高达2600 m²/g的比表面积，并且几近透明，在很宽的波段内光吸收只有2.3%。这些优异的物理性质使石墨烯在射频晶体管、光电子器件、超灵敏传感器、柔性显示、太阳能电池、超强和高导复合材料、热管理材料、高性能锂离子电池、超级电容器和防腐蚀涂层等应

用方面表现出巨大的潜力，有望促进电子、信息、新能源、航空航天等领域的发展。高质量石墨烯的大量制备是对其物性和应用进行研究的前提和基础，但除纳电子、光电子器件应用外，在大多数情况下石墨烯优异的物理化学性质往往难以通过单体形式在实际应用中得到充分发挥，因此把具有单原子层或数原子层厚度的石墨烯片组装成具有特定结构的宏观体材料对综合利用其众多优异性质和拓展其应用具有极其重要的意义。自2004年英国曼彻斯特大学的AK Geim教授研究组采用胶带剥离法分离获得稳定存在的石墨烯后，科学家们已发展出多种制备石墨烯的方法，包括SiC或金属单晶基体表面外延生长法、化学氧化剥离法、液相超声剥离法、插层剥离法及化学气相沉积(CVD)法。其中，化学氧化剥离方法制备的石墨烯被广泛用于复合材料、储能材料等的应用探索和石墨烯体材料的制备。2006年，RS Ruoff研究组首先使用化学氧化剥离法制得的石墨烯制备出具有高强度的纸状石墨烯体材料，随后人们又相继制备出石墨烯柔性透明导电薄膜和泡沫状三维多孔体材料。然而，基于化学氧化剥离法制备的石墨烯的复合材料、储能材料及各种体材料等往往具有较差的电学性能。一方面由于在制备过程中石墨原料被强烈氧化，得到的石墨烯具有大量的结构缺陷和含氧官能团；另一方面由于化学氧化剥离法制得的石墨烯具有较小的尺寸，组装成体材料时石墨烯片层之间存在很大的接触电阻。2008年以来，CVD方法的迅速发展极大促进了大面积高质量石墨烯的制备及其在透明导电薄膜方面的应用。但是，CVD方法多以铜箔、镍膜等平面型金属作为生长基体，只能得到二维平面的石墨烯单晶和薄膜，虽然适于纳电子器件和透明导电薄膜的应用，但难以满足复合材料、储能器件用电极材料等三维宏量应用的要求。

2011年，沈阳材料科学国家(联合)实验室的石墨烯研究团队提出了以多孔金属作为生长基体的模板导向CVD法宏量制备高质量石墨烯及其三维网络体材料的新思路，制备出石墨烯三维网络结构体材料(Three dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition, Nature Materials, 10, 424, 2011)。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，因此也被称为石墨烯泡沫，其中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、高达~850m²/g 的比表面积、~99.7%的孔隙率和~5mg/cm³的低密度。并且，这种CVD制备方法可控性好、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可以实现大面积石墨烯三维网络结构体材料的制备。

基于石墨烯泡沫独特的三维网络结构，我们采用原位聚合的方法制备出石墨烯泡沫/硅橡胶复合材料，发现在石墨烯添加量仅有~0.5wt%的条件下，复合材料的电导率可达~10 S/cm，比相同添加量条件下基于化学氧化剥离法制备的石墨烯的复合材料的电导率提高了6个数量级，也远高于基于碳纳米管的复合材料的电导率。而且，这种复合材料具有很好的柔韧性和稳定性，在弯折和拉伸条件下仅有很小的电阻变化(如50%拉伸条件下的电阻变化<20%)，在应力释放后可迅速恢复其原有形貌和电阻，因此是一种理想的弹性导体材料。(www.daowen.com)

以多孔金属作为生长基体采用CVD实现了高质量石墨烯的大量制备，已成为制备具有特定结构和性能的石墨烯三维体材料的一个基本策略。这种石墨烯三维网络结构体材料集成了三维网络独特的形貌特征和石墨烯独特的物理化学性质，不仅具有极低的密度、极高的孔隙率和高比表面积，而且还具有石墨烯优异的电学、热学、力学性能，极大地拓展了石墨烯的物性和应用空间。该工作得到了国内外同行的高度评价，被Nature、NPG Asia Materials、Nature China选为“Research Highlights”进行了报道，被评价为是一项“影响深远的工作”、“开启了一种有前景的新方式来应用石墨烯材料”，并入选了“2011年度中国科学十大进展”。

近年来，各国科学家广泛探索了石墨烯三维网络结构体材料在导电、热管理、电磁屏蔽、传感及储能等领域的应用，表现出良好的应用前景。例如，利用石墨烯三维网络结构体材料柔性、高导电的特点作为集流体取代电池中常用的金属集流体，制成了可快速充放电的柔性锂离子全电池，在弯曲时其充放电特性保持不变，可在6分钟内完成充电(达到初始容量的90%)，并具有优异的循环性能；利用其高比表面积、高导电的特点开发出一种新型的气体传感器，在室温和常压下具有很高的气体传感灵敏度，可有效检测氨气及二氧化氮等有害气体，性能超过目前商用的气体传感器，效率是市场现有最好探测器的10倍。

成会明，中国科学院金属研究所研究员，中国科学院院士、发展中国家科学院院士。1984年毕业于湖南大学化工系，1987年、1992年在中科院金属研究所获硕士和博士学位。曾先后在日本工业技术研究院、长崎大学和美国MIT学习、工作和进修。主要从事先进炭材料(如碳纳米管、石墨烯、块体各向同性热解石墨)和能量储存与转换材料(如储能材料、光催化材料)的研究。