在国家自然科学基金重点项目（51531004）等资金资助下，天津大学赵乃勤教授团队与美国Rice大学J. Tour教授团队合作，通过全新的粉末冶金模板法成功获得了三维石墨烯泡沫材料。该种材料不仅具有良好的性能，同时还具有良好的自支撑能力和结构稳定性。相关研究成果以“Preparation of Three-Dimensional Graphene Foams Using Powder Metallurgy Templates”（通过粉末冶金模板法制备三维石墨烯泡沫）为题发表于ACS Nano(http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5b06857).
石墨烯材料在锂离子电池、超级电容器、催化等诸多领域都可能获得广泛应用，引起人们极大的兴趣。具有自支撑、结构稳定性高、比表面积大等优点的三维石墨烯材料是其中一个重要的发展方向。制备三维石墨烯的传统方法包括化学气相沉积原位生长法、固体碳源生长法、水热自组装法等，所制备的三维石墨烯材料或多或少会出现结构稳定性差、难以自支撑、晶化程度低等缺点。
赵乃勤团队与J. Tour团队合作，将金属粉末与蔗糖均匀分散到去离子水中，使蔗糖均匀包覆在金属粉末颗粒表面，然后用传统粉末冶金冷压法压制成型，复合块体在氩气/氢气混合气氛保护下高温煅烧，即可一步获得原位生长的三维石墨烯泡沫材料。该方法中，蔗糖为固体碳源，石墨烯在烧结的金属颗粒骨架的表面/界面处原位生长，最终获得的材料由颗粒状碳壳与二维石墨烯构成。该材料具有较高的比表面积（1080 m2 g-1）、导电性（13.8 S cm-1）和晶化程度，并且具有良好的结构稳定性。该三维石墨烯泡沫在水流作用下不发生破裂，并可承受超过150倍自身重量的载荷，卸载后可以实现回弹。通过改变金属粉末成分、添加剂成分，设计不同结构的模具，可以用于制备不同种类和形状的三维碳纳米材料。该方法也为开发制备新型碳纳米材料、三维结构增强体复合材料提供了新方法和新思路。
图：通过传统的粉末冶金与化学气相沉积相结合，获得三维石墨烯的基本过程。