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上海发现三维石墨烯管的“超级材料” (附股)

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、陈一苇和黄富强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。

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。科学家梦寐以求的碳基的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、陈一苇和黄富强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。

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,相关结果于学术杂志《先进材料》(Advanced Materials,DOI: 10.1002/adma.201502682)上发表。

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