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本发明公开了一种石墨烯聚合物三维泡沫基体、其制备方法及应用。所述制备方法包括：采用化学气相沉积法在泡沫金属催化剂上生长石墨烯,形成三维石墨烯泡沫金属催化剂复合物；通过模板置换法将三维石墨烯泡沫金属催化剂复合物中的泡沫金属催化剂骨架置换为聚合物,获得柔性的石墨烯聚合物三维泡沫基体。本发明提供的石墨烯聚合物三维泡沫基体的制备工艺简单,易于实施,成本低,产率高,而且所获的石墨烯聚合物三维泡沫基体有优异的导电、导热性能和力学强度,可以作为电极、复合体系等在水处理、生物医药、储能器件、抗静电、热管理、导热散热、传感器、电磁屏蔽,吸波和催化等领域广泛应用。