石墨稀超级电容

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活性石墨烯制备超级电容器
作者：熔桓　发稿时间：2011-05-17 10:12:49　


使用氢氧化钾重组化学上改进的石墨烯薄片，研制各种形式的“活性炭”，它们有孔隙，可增加表面积，提高存储容量，制成超级电容器。

苏东和埃里克•斯塔奇使用强大的电子显微镜，分析的样品是活性石墨烯，他们在布鲁克海文国家实验室的功能纳米材料中心进行研究。斯塔奇说：“功能纳米材料中心提供方便，世界各地的科学家都可以解决纳米科学和纳米技术的前沿问题。这项工作正是这个设施要做的事。”来源：布鲁克海文国家实验室

美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的科学家协助揭示了纳米尺度结构的新形态碳，有助于解释为什么这种新材料的作用就像超级吸水的海绵，当它吸纳电荷时就是这样。这种材料日前被创造出来，研发者是奥斯汀（Austin）得克萨斯大学（University of Texas），这种材料可用于“超级”储能设备，具有非常高的存储容量，同时保留其他优秀属性，比如超高速能量释放，快速充电时间，使用寿命至少有1万个充/放电周期。

“这些特性使这种新形态的碳特别有吸引力，可以满足电能储存需求，这也需要快速释放能量，例如，在电动汽车上，也要理顺间歇性能源的电力供应，这些能源比如风力和太阳能发电，”布鲁克海文国家实验室的材料科学家埃里克•斯塔奇（Eric Stach）说，他联合撰写了论文，描述这种材料，发表在《科学》上，时间是2011年5月12日。

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超级电容器类似电池，因为两者都存储电荷。电池需要化学反应，就是金属电极和液体电解质之间的反应。由于这些化学物质需要时间来进行反应，因此，能量储存和释放相对缓慢。但电池可以储存大量的能量，释放需要相当长的一段时间。

另一方面，超级电容器存储电荷的形式是离子，在电极表面存储，类似静电，而不是依靠化学反应。充电电极导致离子在电解液中分离，也叫两级化，这样，电荷就被存储在连接处，就是电极与电解液之间的交界处。孔隙在电极上增加了表面面积，在这上面，电解质可以流动和互动，这就提高了能量的储存。

但是，由于大多数超级电容器不能像电池那样存储同样多的电荷，它们的使用就局限于一些地方，就是少量能量的迅速需求，或很长的使用寿命必不可少的地方，比如移动电子设备中。
这种新材料的开发者是奥斯汀德克萨斯大学研究人员，这种材料可以改变这一点。它制成的超级电容器具有的能量存储容量，或能量密度，接近铅酸电池，同时保留了高功率密度，也就是快速能量释放，这是超级电容器的特点。
“这种新材料结合了两种电力储存系统的属性，”得克萨斯大学小组领导罗德尼•鲁夫（Rodney Ruoff）说。“我们惊叹它出色的表现。”

奥斯汀德克萨斯大学小组已经着手创造更具多孔形态的碳，他们使用氢氧化钾（potassium hydroxide）重组化学上改进了的石墨烯薄片，这种薄片就是一种形态的碳，其中的原子排列为瓦状环，平铺形成单原子厚的薄片。这种“化学激活”先前曾用来研制各种形式的“活性炭”，它们有孔隙，可增加表面积，用于过滤器和其他地方，包括超级电容器。

但是，由于这种新形式的碳是如此优越，胜过其他用于超级电容器的材料，奥斯汀德克萨斯大学的研究人员知道，他们表征这种结构需要在纳米尺度进行。

鲁夫形成了一个假设，就是材料包含连续三维多孔网络和单原子厚的壁，具有一个重要部分，就是“负曲率碳”（ negative curvature carbon），类似外翻式巴基球（buckyballs）。他去找布鲁克海文国家实验室的斯塔奇，协助进一步从结构上表征，以验证或反驳这个假设。

斯塔奇和布鲁克海文国家实验室的同事苏东（Dong Su）进行了广泛的研究，场所有实验室的功能纳米材料中心，国家同步辐射光源（National Synchrotron Light Source），以及劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的国家电子显微镜中心，三个设施的支持者都是能源部科学办公室。“在美国能源部实验室，我们在世界上分辨率最高的显微镜，我们真正全面地刻画了这种原子的结构，”斯塔奇说。

“我们的研究显示，鲁夫的假设其实是正确的，这种材料的三维纳米结构包含网络，属于高度弯曲的单原子厚的壁，会形成微小孔隙，孔隙宽度范围是1至5纳米，或十亿分之一米。”
研究内容包括详细图示的细微孔隙结构和碳壁本身，这些图像也表明，细节如何融入大局。 “国家同步辐射光源（NSLS）的数据也很关键，说明我们高度局部的特征可代表整体材料，”斯塔奇说。

“我们仍在联合鲁夫和他的团队，协力完整地描述这种材料的结构。我们还增加了计算研究，以帮助我们了解这种三维网络如何形成，这样，我们有可能定制孔径最佳尺寸，进行特定的应用，包括电容存储，催化，以及燃料电池，”斯塔奇说。

与此同时，科学家们说，这种处理技术用来创造新形态的碳，很容易升级到工业生产。“这种材料这么容易制造，采用的是宇宙中最丰富的元素之一，将广泛影响研究和技术，在能量储存和能量转换上都是这样，”鲁夫说。


原子分辨率电子显微镜图像显示的活性石墨烯，表明这种材料包含单一片状结晶碳，高度弯曲，形成一种三维多孔网络，来源：布鲁克海文国家实验室

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Autosorb-iQ用于石墨烯基超级电容器的研究在《科学》（Science）杂志发表
美国康塔仪器公司 2011-6-2 19:47:30


　　德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系材料科学与工程教授Rodney S. Ruoff领导的科研团队成功制备出一种由石墨烯衍生出的新型三维多孔碳材料。利用该材料作为电极组装成的超级电容器，其能量密度可达到铅酸电池的水平，同时还保持超级电容器固有的高功率输出和极快的充电速度，有望应用于电动汽车以及解决风能、太阳能等间歇性能源的存储问题。这一发现意义深远：它有望使超级电容器存储的电能大大增加至电池的水平，将成为电化学储能设备和其他许多前所未有的研究领域的一个里程碑。

　　电化学储能设备中，超级电容器被比喻为“百米运动员”，其能量转移速度和效率都非常高，但是通常储存的电能少;而电池更像是“马拉松运动员”，具有较高的能量存储能力，充放电速度虽然慢但较稳定。“我们合成的新型碳材料像海绵一样具有大量的纳米级微孔，其比表面积达到了3100平方米每克(两克此种材料的表面积就和一个美式橄榄球场的大小相当)，它的导电性也比一般材料高得多。

　　这项工作主要是由该研究小组的博士后研究员朱彦武博士及合作者来完成，于5月12日发表在《科学》(Science)杂志的在线预印版本ScienceXpress上。该小组的另一位博士后蔡伟伟博士也参与了此项研究。德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员、布鲁克海文国家实验室的科研工作者以及佛罗里达美国康塔仪器公司的科学家也参与了这项工作。




　　其中，美国康塔仪器公司的Autosorb-IQ和NOVA被用于对合成的新型碳材料的孔结构、孔容和比表面积进行表征，通过研究N2@77K, Ar@87K及CO2@273K不同吸附质、不同吸附温度的实验等温线，可得到包括孔结构在内的丰富信息，与TEM、XRD等实验结果相互印证，为材料合成、应用提供关键信息。　　

　　来源：
　　www.sciencexpress.org / 12 May 2011 / Page 3 / 10.1126/science.1200770

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可望而不可及啊

diandongchemi

这是个好消息。就算现在已经开始批量生产，到老百姓能用，起码也得等2年后才有可能
sheji 发表于 2011-7-12 23:35

唉！

maozj

目前充其量只是在实验室阶段，何时能进入商业化还无从考量。