新發明：將二氧化碳變為石墨烯，並應用於超級電容！

導讀

美國密歇根理工大學的材料科學家 Yun Hang Hu 教授發明了一種新方法，將二氧化碳轉化為表面具有微孔的三維石墨烯。這種三維表面多微孔的石墨烯具有獨特的結構，很適合作為超級電容的電極材料。

關鍵字

超級電容、石墨烯、能量

背景

如今，節能環保已成為全球技術創新的目標之一。超級電容作為一種高效實用的新型儲能器件，已經開始取代傳統蓄電池。超級電容具有充電速度快、循環壽命長、安全可靠、存儲電能多、綠色環保等優點。它適用於電梯、公交車、起重機，以及任何需要快速充放電循環的應用領域。未來，它在電動汽車、大功率輸出設備、消費電子設備等領域，有著非常廣闊的市場前景。

作為超級電容電極的材料，通常都需要存儲和釋放電荷，所以制約其性能的關鍵因素之一就是：離子在材料中移動速度如何。

目前商用的超級電容大多採用活性炭為電極材料。活性炭是具有「內凹」結構的微孔碳，它可以提供有效的電荷積累。然而，電解液離子卻很難擴散進入或者通過活性炭內部深深的微孔，從而延長了充電時間，降低了效率。

創新

針對上述問題，美國密歇根理工大學的材料科學家 Yun Hang Hu 教授認為：

「新型三維表面微孔的石墨烯可以解決這一問題。中孔相互連接形成管道，作為電解液的容器，而表面的微孔吸收電解液離子，且無需將離子拉入微孔深處。」

（圖片來源：密歇根理工大學）

Hu 教授發明了一種新方法，將二氧化碳轉化為表面具有微孔的三維石墨烯。這種三維表面多微孔的石墨烯具有獨特的結構，很適合作為超級電容的電極材料。一項與該工藝相關的新研究論文發表於美國化學會的《應用材料和介面》期刊。

技術

技術方面，我們還是重新溫顧一下石墨烯。它作為一種性能極佳的新材料，由碳原子構成蜂窩狀的結構，且只有一層原子的厚度，在強度、導電、導熱等方面，都具有卓越的性能，有著「新材料之王」的美譽。之前的相關文章中，筆者曾多次介紹。

對於石墨烯應用於超級電容的電極，這項研究並不是筆者首次介紹的相關案例。之前，在《新石墨烯電極：靈感來源於分形植物，為產業發展萌發新希望！》一文中，筆者也曾介紹過澳大利亞皇家墨爾本理工大學使用石墨烯作為超級電容電極材料。它不僅有望將超級電容的容量提升30倍，另外還可以開發出柔性薄膜，更適合智能穿戴、新能源汽車、智能手機、智能建築等應用場景。

也許，我們不禁會問為什麼三維多微孔的石墨烯適合作為超級電容的電極材料？從技術角度來講，密歇根理工大學的研究人員作了一個很好的比喻：這種石墨烯材料中的中孔就像一個海港，而電解液離子就像船一樣停泊在微孔中。在啟航和入港之間，離子無需行駛很長的距離，這樣極大提升了充放電循環的速度。

（圖片來源：密歇根理工大學）

除此之外，還有一個非常關鍵的技術重點和難點就是：二氧化碳具有超高穩定性，將它轉化為有用的材料通常需要高能量。

然而，Hu 教授與他的研究團隊創造出二氧化碳和鈉之間的一种放熱反應，從而合成三維表面多微孔的石墨烯。為了用二氧化碳合成這種材料，Hu 教授的團隊將二氧化碳加入鈉中，將溫度提高到520攝氏度。這種反應可以釋放出熱量，而且無需輸入能量。

在這個過程中，二氧化碳不僅形成了三維石墨烯片，而且挖掘出微孔。這些微孔位於石墨烯的表面層，只有0.54納米的深度。

價值

從價值的角度挖掘，這項創新發明首先將石墨烯材料成功應用於超級電容的電極，並改善了超級電容的性能。

這種石墨烯材料表面具有如同痘痕一般的微孔，並摺疊成更大的中孔，兩種孔都增加了吸收電解液離子的表面積。Hu 教授解釋說：

「三維表面多微孔的石墨烯是一種全新的材料。它對於能量存儲器件來說是一種極好的電極材料。」

結果顯示，該材料具有超高的面積比電容（areal capacitance），可達1.28 F/cm2。它製成的超級電容具有卓越的倍率性能和極好的循環穩定性。

其次，將二氧化碳轉化為石墨烯，不僅有效地利用了溫室氣體，而且更加節能環保。雖然我們尚不清楚二氧化碳轉化為石墨烯的效率如何、製造工藝的複雜度如何、低成本如何、是否適合量產，但是就目前來說，它至少為未來石墨烯的生產和製備又提供了一個新思路。

參考資料

【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

更多前沿技術和創新產品，請關注微信公眾號：IntelligentThings，或者聯繫作者個人微信：JohnZh1984

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！