三维石墨烯泡沫的结构、组成、光学、电学及电化学表征

《Nanoscale Advances》：Structural, composition, optical, electrical, and electrochemical characterization of three-dimensional graphene foamOpen Access

　　

研究人员报道了两种具有不同缺陷密度、结构和功能特性的三维石墨烯泡沫（3D GF）的综合研究。润湿性表征表明，高缺陷GF和低缺陷GF均呈亲水性，接触角（CA）分别约为14°和72°。光学表征显示其在350 nm至25 μm光谱范围内反射率和透射率接近零。X射线光电子能谱（XPS）和能量色散X射线光谱（EDS）揭示了化学组成、缺陷密度和功能化情况，原子力显微镜（AFM）显示高缺陷GF（HDGF）表面粗糙度显著，最大表面高度超过18 nm，而低缺陷GF（LDGF）表面更光滑均匀，最大表面高度为4.5 nm。电化学表征揭示了网络连接性对电荷传输的影响，突出了两种泡沫在电阻和渗流阈值上的差异，在0.1 mA cm?2电流密度下面电容分别为38和32 μF cm?2。电流密度增加50倍时，初始电容保持率分别为90%和94%。研究人员为GF材料建立了详细的结构–性能–功能关系，对多种应用具有参考价值。

研究背景与立项依据

三维石墨烯泡沫（3D graphene foam，3D GF）兼具石墨烯本征高导电性、高机械强度与大比表面积及多孔互联框架优势，在能源收集、电化学储能、柔性电子、热管理、环境修复与生物工程中具有平台级应用潜力。然而该类材料性能高度依赖缺陷景观、形貌连通性与表面化学状态，传统制备方法（如化学气相沉积 CVD）能耗高且依赖金属催化剂与有毒化学品，缺乏低成本、可规模化且兼具多维度表征的系统性研究。为此，研究人员采用iGii Ltd专利低压电气化学生长工艺制备高缺陷（HDGF）与低缺陷（LDGF）两种3D GF，并在《Nanoscale Advances》发表其结构、组成、光学、电学与电化学全景表征结果，以建立结构–性能–功能关系。

主要关键技术方法

研究人员以iGii Ltd专利电力驱动工艺（能耗约0.026 kWh cm^?2，较CVD降低一个数量级）制备HDGF与LDGF薄膜样品；采用扫描电子显微镜（SEM）观察褶皱纳米片形貌与截面孔隙，原子力显微镜（AFM）定量纳米粗糙度，四探针I–V测试计算方阻，光学显微镜与紫外-短波红外（350–1700 nm）/中远红外（2.5–25 μm）分光光度计测透射反射，拉曼光谱（532 nm激发）以I_D/I_G评估缺陷，XPS与EDS解析sp²/sp³碳比及含氧官能团，接触角测量润湿性，三电极体系（2 M Na₂SO₄电解液）行循环伏安（CV）、恒流充放电（GCD）与电化学阻抗谱（EIS）表征双电层电容行为。

研究结果

2.1 SEM：HDGF呈松散堆叠、碎片状褶皱纳米片与大孔隙；LDGF呈致密互联颗粒状。形貌差异直接关联导电通路连续性。

2.2 电流–电压特性与光学显微成像：I–V呈线性欧姆行为，HDGF方阻32.9±3.7 Ω sq^?1，LDGF为26.1±1.5 Ω sq^?1；HDGF视觉深黑、平均反射率0.028%（可见光），LDGF呈金属灰、0.153%，与表1定量一致。

2.3 AFM：HDGF最大高度>18 nm，LDGF约4.5 nm，证实低缺陷样品纳米级平整度更优，支撑低阻结论。

2.4 EDS与XPS：两样品主成分为C、O，含痕量N/Ca/P；LDGF的O 1s峰弱于HDGF；C 1s分峰得HDGF sp²占53.9%、LDGF占62.6%，sp²比例提升与电导改善吻合；含氧基团以C–O、C=O、C–OH为主。

2.5 润湿性：HDGF超亲水（CA≈14°，水滴数秒铺展近0°），LDGF亲水（CA≈72°）；亲水性增强归因于HDGF更高表面粗糙与含氧官能团密度。

2.6 拉曼光谱：HDGF I_D/I_G=0.9，LDGF=0.1；532 nm激发下信背比最优，D峰随激发波长偏移证实缺陷态声子密度分布，HDGF多孔无序结构致D峰活化。

2.7 光学性质：350 nm–25 μm区间透射与反射近零（HDGF可见区R_av 0.028%，LDGF 0.153%；中远红外R_av略升），归因为高光吸收与多孔光陷阱效应，适合作宽波段杂散光吸波涂层。

2.8 电化学表征：三电极2 M Na₂SO₄中两样品均呈理想双电层（EDLC）矩形CV与三角GCD；0.1 mA cm^?2下面电容HDGF 38 μF cm^?2、LDGF 32 μF cm^?2；电流密度提至5 mA cm^?2（50倍）保有率HDGF 89%、LDGF 94%；EIS显示LDGF等效串联阻更低，HDGF因更高孔隙贡献电容但电阻损失略大。

讨论与结论翻译

讨论指出，HDGF凭借更高孔隙率获得更大电化学活性界面，面电容优于LDGF约16%，但LDGF因sp²碳占比高、纳米平整、网络连通均匀而在导电性与高倍率容量保持上占优；光学近零反射透射源于三维互联骨架的多重散射与吸收，使GF可作为宽谱消光材料用于光学挡板与探测器；iGii低压电工艺以极低能耗规避传统CVD金属催化与毒化步骤，具备可持续放大特征。结论部分明确：研究人员通过对HDGF与LDGF的系统多模态表征，建立了缺陷密度–形貌连通性–表面化学–光/电/电化学响应的定量关联，证明高缺陷版本适宜高面电容电极，低缺陷版本适宜低阻柔性导体与宽频吸光层，该结构–性能–功能框架为下一代3D GF在超级电容、柔性传感与光学消杂系统中的参数优化提供直接依据。