某些生物矿物材料也可以用作CVD合成石墨烯的理想基底。硅藻土作为一种天然存在的材料，是由古硅藻沉积而成的，在地球上存量很丰富，在工业中也被广泛使用。硅藻壳具有各种各样的三维层级多孔生物硅结构，很有希望用于构建精微的几何拓扑结构材料。2016年，刘忠范课题组采用小型甲烷气流CVD工艺，在硅藻土基底上实现了一种生物模板辅助的石墨烯生长技术，用于生产三维层级生物形貌石墨烯（Layered Biological Graphene, HBG）粉末[图1-48（a）]。

从原硅藻土中纯化出来硅藻壳，可以获得超纯生物矿化硅微孔薄片。首先，将原样接收的硅藻土粉末浸入硝酸和硫酸中，并搅拌过夜以除去有机和金属杂质。随后进行循环过滤和去离子水清洗，不同粒径的生物硅微粉通过在丙酮中的循环沉降过程从微孔硅藻土中分离出来。然后将硅藻土粉末放入三温区管式炉中，再将管抽真空并用300sccm的10％（体积分数）氢气混合氩气漂洗以除去空气，在环境压力下经过40min加热升温至1000℃。最后将样品在恒定的混合气体流量（300sccm H 2 /Ar和2sccm甲烷）载气下保持该温度100min以进行石墨烯生长。石墨烯片层的厚度可以通过改变甲烷气体的浓度来控制。在炉子冷却至室温后，原始白色粉末变为浅灰色粉末[图1-48（b）]。然后将粉末在室温中浸入氟化氢（HF）蚀刻溶液（HF、H 2 O、乙醇的摩尔比为6.7∶27.8∶5.1），或在80℃的6 mol·L -1 NaOH溶液中过夜以除去生物矿化硅模板。用水和乙醇完全冲洗后，通过在约-90℃和负压条件（约1Pa）下冷冻干燥24h，获得黑色石墨烯粉末[图1-48（c）]。为了对比，通过改进Hummer的方法，用GO水合肼还原得到了rGO。

经过1000℃的生长过程后，在单个石墨烯薄片中，发现原始硅藻壳的形态被很好地保留下来[图1-48（e）（f）]。由此产生的石墨烯粉末的拉曼光谱[图1-48（g）]出现尖锐的2D峰，表明形成了具有较少底面缺陷的薄层石墨烯。位于1350cm -1 处的弱拉曼D峰的存在说明小尺寸的多晶石墨烯粉末存在边界缺陷。简而言之，上述实验观察证实了硅藻土基方法用于生长高质量石墨烯粉末的可行性。这些石墨烯粉末的X射线衍射图谱还表明不存在石墨的分层（002）周期性结构，明显不同于rGO和石墨碳粉末的结构。

从微观角度看，单个硅藻壳看起来像是由两个几乎相同的瓣膜组成的培养皿，它们被环带合在一起，如图1-48（b）所示。通过SEM观察可以看出，合成的HBG薄片几乎完全复制了硅藻壳的形状和精细分层多孔结构，这些孔穿透了单个石墨烯微结构的整个表面，在石墨烯片内形成了整齐的层级通道。从转移到300nm SiO 2 /Si基底上的单个HBG薄片可以看出，边缘和中心区域之间有鲜明的颜色对比，显示出模板去除后石墨烯层复杂的三维堆叠结构和层级排列的通道。原子力显微镜和透射电镜表征也表明HBG薄片的薄层特征和良好的结晶质量。由于层级多孔结构，组装的HBG粉末表现出高介孔率，比表面积为1137.2m 2 ·g -1 。更值得注意的是，由于层间相互作用弱，三维HBG结构在N-甲基-2-吡咯烷酮溶液中具有相对较好的分散性和稳定性。在实验室制备水平上，所得HBG粉末的产率（石墨烯和硅藻土的质量比）接近1％，这与rGO粉末的产率相当。总体而言，上述合成策略证明了合成大量具有特殊功能的三维微结构石墨烯的可行性。

合成的生物石墨烯粉末除了具有相当高的结晶质量外，还具有独特的3D分层通道的非平面微孔结构。从这些原子层状石墨烯框架的三维结构特征可以看出，与硅藻土模板（9.7m 2 ·g -1 ）和rGO粉末（420.9m 2 ·g -1 ）相比，生物石墨烯粉末表现出更高的比表面积（1137.2m 2 ·g -1 ）。 MlzT712E9xmPOcAItcFXaJlEZVEzYiCBzqqvtp7NwZyqygWS7z1Dfpcy+9ka5z0p