新发明:将二氧化碳变为石墨烯,并应用于超级电容!

2018-10-17 21:19:22

导读

美国密歇根理工大学的材料科学家 Yun Hang Hu 教授发明了一种新方法,将二氧化碳转化为表面具有微孔的三维石墨烯。这种三维表面多微孔的石墨烯具有独特的结构,很适合作为超级电容的电极材料。

关键字

超级电容、石墨烯、能量

背景

如今,节能环保已成为全球技术创新的目标之一。超级电容作为一种高效实用的新型储能器件,已经开始取代传统蓄电池。超级电容具有充电速度快、循环寿命长、安全可靠、存储电能多、绿色环保等优点。它适用于电梯、公交车、起重机,以及任何需要快速充放电循环的应用领域。未来,它在电动汽车、大功率输出设备、消费电子设备等领域,有着非常广阔的市场前景。

作为超级电容电极的材料,通常都需要存储和释放电荷,所以制约其性能的关键因素之一就是:离子在材料中移动速度如何。

目前商用的超级电容大多采用活性炭为电极材料。活性炭是具有“内凹”结构的微孔碳,它可以提供有效的电荷积累。然而,电解液离子却很难扩散进入或者通过活性炭内部深深的微孔,从而延长了充电时间,降低了效率。

创新

针对上述问题,美国密歇根理工大学的材料科学家 Yun Hang Hu 教授认为:

“新型三维表面微孔的石墨烯可以解决这一问题。中孔相互连接形成管道,作为电解液的容器,而表面的微孔吸收电解液离子,且无需将离子拉入微孔深处。”

东碳公司

(图片来源:密歇根理工大学)

Hu 教授发明了一种新方法,将二氧化碳转化为表面具有微孔的三维石墨烯。这种三维表面多微孔的石墨烯具有独特的结构,很适合作为超级电容的电极材料。一项与该工艺相关的新研究论文发表于美国化学会的《应用材料和接口》期刊。

技术

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技术方面,我们还是重新温顾一下石墨烯。它作为一种性能极佳的新材料,由碳原子构成蜂窝状的结构,且只有一层原子的厚度,在强度、导电、导热等方面,都具有卓越的性能,有着“新材料之王”的美誉。之前的相关文章中,笔者曾多次介绍。

对于石墨烯应用于超级电容的电极,这项研究并不是笔者首次介绍的相关案例。之前,在《新石墨烯电极:灵感来源于分形植物,为产业发展萌发新希望!》一文中,笔者也曾介绍过澳大利亚皇家墨尔本理工大学使用石墨烯作为超级电容电极材料。它不仅有望将超级电容的容量提升30倍,另外还可以开发出柔性薄膜,更适合智能穿戴、新能源汽车、智能手机、智能建筑等应用场景。

也许,我们不禁会问为什么三维多微孔的石墨烯适合作为超级电容的电极材料?从技术角度来讲,密歇根理工大学的研究人员作了一个很好的比喻:这种石墨烯材料中的中孔就像一个海港,而电解液离子就像船一样停泊在微孔中。在启航和入港之间,离子无需行驶很长的距离,这样极大提升了充放电循环的速度。

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(图片来源:密歇根理工大学)

除此之外,还有一个非常关键的技术重点和难点就是:二氧化碳具有超高稳定性,将它转化为有用的材料通常需要高能量。

然而,Hu 教授与他的研究团队创造出二氧化碳和钠之间的一种放热反应,从而合成三维表面多微孔的石墨烯。为了用二氧化碳合成这种材料,Hu 教授的团队将二氧化碳加入钠中,将温度提高到520摄氏度。这种反应可以释放出热量,而且无需输入能量。

在这个过程中,二氧化碳不仅形成了三维石墨烯片,而且挖掘出微孔。这些微孔位于石墨烯的表面层,只有0.54纳米的深度。

价值

从价值的角度挖掘,这项创新发明首先将石墨烯材料成功应用于超级电容的电极,并改善了超级电容的性能。

这种石墨烯材料表面具有如同痘痕一般的微孔,并折叠成更大的中孔,两种孔都增加了吸收电解液离子的表面积。Hu 教授解释说:

“三维表面多微孔的石墨烯是一种全新的材料。它对于能量存储器件来说是一种极好的电极材料。”

结果显示,该材料具有超高的面积比电容(areal capacitance),可达1.28 F/cm2。它制成的超级电容具有卓越的倍率性能和极好的循环稳定性。

其次,将二氧化碳转化为石墨烯,不仅有效地利用了温室气体,而且更加节能环保。虽然我们尚不清楚二氧化碳转化为石墨烯的效率如何、制造工艺的复杂度如何、低成本如何、是否适合量产,但是就目前来说,它至少为未来石墨烯的生产和制备又提供了一个新思路。

参考资料

【1】http://www.mtu.edu/news/stories/2017/august/greenhouse-gas-3-d-surface-microporous-graphene.html

【2】Liang Chang, Dario J. Stacchiola, Yun Hang Hu. An Ideal Electrode Material, 3D Surface-Microporous Graphene for Supercapacitors with Ultrahigh Areal Capacitance. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017; 9 (29): 24655 DOI: 10.1021/acsami.7b07381


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