探索3D石墨烯泡沫背后的研究及其应用
3D石墨烯泡沫是由石墨烯片层在三维结构中相互连接形成的材料，构成了多孔泡沫状结构。该材料通过模板辅助化学气相沉积法合成，可生长出由多层石墨烯片构成的互连三维多孔网络。
石墨烯泡沫的微观图像
3D石墨烯泡沫如何合成？
模板辅助化学气相沉积法是构建三维互连石墨烯网络的常用方法。该方法将模板的三维结构与石墨烯的独特特性相结合，最终形成具有卓越传导性和机械性能的多孔轻质材料。三维石墨烯的合成过程与二维石墨烯相似：碳前驱体在氢氩混合气体环境中于生长基底上分解。基底（可为金属或非金属）既作为分解催化剂，也作为石墨烯结构的模板。¹
该工艺的碳源可为气态、液态或固态。化学气相沉积过程中，这些碳源在氢氩气氛中于900-1050°C温度下分解，将石墨烯层沉积于基底。整体流程包括模板清洗、加氢或氧化处理、化学气相沉积生长及模板蚀刻，最终形成三维石墨烯泡沫。¹
在多孔结构上的生长机制分为两类：三维单层石墨烯采用表面介导的自限性生长，而多层结构则依赖分离机制。单层石墨烯因碳溶解度低而偏好铜模板，多层结构则因碳溶解度高而偏好镍模板。模板泡沫的关键特性包括孔径、连通性、形状及基底类型。
通过选用不同催化剂与合成条件可调控石墨烯层数及泡沫孔隙率。基底类型涵盖泡沫、薄膜、纳米粉末至金属、金属氧化物、金属盐及贝壳等。因成本效益高且尺寸/孔隙密度多样，商用镍泡沫成为最主流的模板材料。石墨烯在镍泡沫表面形成连续网络，即使支架被蚀刻去除后仍能保持其三维结构和孔隙率。¹
六孔板中展示的三维石墨烯泡沫
多层石墨烯泡沫的最新研究
石墨烯涂层镍泡沫凭借其巨大比表面积、多孔结构及高电导率，已成为各类催化反应的热门电极材料。例如，在处理过废水中的药品和个人护理产品矿化过程中，石墨烯涂层镍泡沫电极展现出令人鼓舞的成果。
通过在石墨烯生长后蚀刻底层镍模板，可获得独立式石墨烯泡沫。其具备独特属性——如互连微孔结构、纳米级粗糙度、高导电性、生物相容性、超低密度、广阔表面修饰潜力及可调刚度——使其成为辅助干细胞生长分化的理想支架生物材料。作为支架生物材料，自由立式CVD石墨烯泡沫已在学术研究中得到深入探索，并在多项组织工程与三维细胞培养研究中取得积极成果。³
当前针对三维石墨烯泡沫的商业化研究正持续推进，除上述领域外还存在诸多令人振奋的应用前景——包括多层石墨烯在压力传感及低密度机械支撑中的应用。
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参考文献与延伸阅读：
¹ Banciu CA, Nastase F, Istrate AI, Veca LM. 3D Graphene Foam by Chemical Vapor Deposition: Synthesis, Properties, and Energy-Related Applications. Molecules. 2022 Jun 6;27(11):3634. doi:10.3390/molecules27113634. PMID: 35684569; PMCID: PMC9181857.
² Srinivasan, R., & Nambi, I. M. (2022). An electro-peroxone-based multi-pronged strategy for the treatment of ibuprofen and an emerging pharmaceutical wastewater using a novel graphene-coated nickel foam electrode. Chemical Engineering Journal, 450, 137618.
³ Bellet, P., Gasparotto, M., Pressi, S., Fortunato, A., Scapin, G., Mba, M., Menna, E., & Filippini, F.(2021). Graphene-Based Scaffolds for Regenerative Medicine. Nanomaterials (Basel, Switzerland), 11(2), 404. https://doi.org/10.3390/nano11020404
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