日本東北大學(xué)與西班牙阿利坎特大學(xué)等組成的研究小組近日宣布，開發(fā)出了細(xì)孔壁主要由單層石墨烯構(gòu)成的中孔多孔體“石墨烯中孔海綿體（GMS）”。這是一種具有約5.8nm微細(xì)小孔（細(xì)孔）的海綿狀材料，不僅像活性碳一樣具有很高的比表面積，還具備與石墨一樣的導(dǎo)電性和耐腐蝕性。另外還可實現(xiàn)大幅彈性變形，有望為構(gòu)筑基于新原理的能量轉(zhuǎn)換元器件做出貢獻(xiàn)。

原來的碳材料與GMS的比較

    石墨烯由于是一種二維片狀物質(zhì)，因此僅限于薄膜及電子元器件等二維用途。近年來，研究人員開始將石墨烯制成具有三維骨架的多孔體，從而將其應(yīng)用于吸附、催化劑、電池等與能源相關(guān)的各個領(lǐng)域，相關(guān)研究日趨活躍。碳類多孔體廣泛使用具有直徑數(shù)nm以下微細(xì)小孔（細(xì)孔）的活性碳。而將石墨烯制成同樣的多孔體時，由于會形成小斷片狀的構(gòu)造，因此存在導(dǎo)電率下降的問題，而且石墨烯存在大量端部（邊緣），因此容易腐蝕。

    此次研究發(fā)現(xiàn)，通過用氧化鋁納米顆粒制成鑄模，合成結(jié)晶性較高的碳多孔體（CMS），并在1800℃的溫度下實施熱處理，便可轉(zhuǎn)換為以高品質(zhì)單層石墨烯為主要成分的碳多孔體。由于形成了擁有名為“中孔”的微小細(xì)孔的發(fā)泡體構(gòu)造，因此幾乎不存在導(dǎo)致腐蝕的石墨烯端部，從而實現(xiàn)了與活性碳（1000～2600m2/g）一樣高的比表面積（1940m2/g），同時還具備超過碳黑的導(dǎo)電性和耐腐蝕性。

    將GMS用作電雙層電容器（EDLC）的電極材料時，由于沒有石墨烯端部，不易劣化，因此可在靜電容量較大的情況下，直接將工作電壓增加至4V左右，能夠?qū)崿F(xiàn)為原來約2倍的能量密度。原來的活性碳由于容易劣化，因此無法將工作電壓升高到約2.8V以上。并且，通過將GMS用作固體高分子型燃料電池的鉑催化劑的載體，與原來以碳黑為材料相比，有望實現(xiàn)更長的壽命。另外，GMS還有望應(yīng)用于鋰離子電池等的導(dǎo)電輔助劑以及其他各種充電電池材料等多種用途。

    此外，GMS與石墨烯一樣，兼具柔軟性和強(qiáng)韌的拉伸強(qiáng)度，因此完全可以像海綿一樣柔軟地彈性變形，通過施加應(yīng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)孔尺寸從大約5.8nm到0.7nm以下的可逆性變形。近年來，在有機(jī)類多孔體領(lǐng)域，納米細(xì)孔的彈性變形備受關(guān)注，不過無論是無機(jī)類還是有機(jī)類，還沒有出現(xiàn)過能夠?qū)崿F(xiàn)如此大幅彈性變形的材料。GMS可利用外力來調(diào)節(jié)放入納米級細(xì)孔內(nèi)部的物質(zhì)數(shù)量，因此有望為構(gòu)筑基于新原理的能量轉(zhuǎn)換元器件做出貢獻(xiàn)。

    此次研究成果已于2016年7月14日（德國時間）刊登在德國國際科學(xué)雜志《Advanced Functional Materials》的在線版上。