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石墨烯当前研究热点:储能/电化学/安全性

2015-05-14 10:02
科技潮人
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  石墨烯具有广阔的应用空间和巨大的经济效益。据预计,到2024年前后,石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体(CMOS)器件,在纳米电子器件、光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用。正是在这一背景下,目前国内外对石墨烯技术的应用研究如火如荼,而主要的研究热点则集中在储能、电化学分析和石墨烯的生物安全性等方面。

  储能材料领域

  新型储能材料的研发是推动高效储能技术发展的基础。近年来,化学储能领域对石墨烯的研究主要集中在氢能存储、超级电容器制造、锂离子电池和锂-空气电池制造等4方面。研究的重点则集中在对石墨烯制备方法的探索,对石墨烯功能化的试验研究以及基于石墨烯本身性质来研发结构完善的高性能石墨烯基储能元件。

  储氢方面。氢能源作为二次清洁能源是能源发展计划中不可或缺的新能源之一。其具有损耗少、无污染、回收利用率高、且利用形式多样等特点,被誉为21世纪的绿色能源。利用特殊材料吸附氢是一种新型的储氢方法,研究结果表明,目前已使用的活性炭、富勒烯以及碳纳米纤维等碳材料的储氢能力均未达到理想的状态,而作为sp2杂化碳基本构成单元的石墨烯自问世以来,就展现出相对于其他碳材料更为优异的储氢性能,国内外学者也因此积极探索石墨烯及其复合结构在储氢方面的潜能。一些科学家结合钯纳米颗粒与石墨烯材料,制成二维石墨烯纳米片,与活性炭材料混合后生成一种全新的储氢材料。研究结果表明,该储氢材料的储氢量在压力为10MPa状态下可以达到0.82%(质量分数),相较于单纯的钯纳米材料提升了近49%,该材料不仅存储性能良好且吸附性的可逆程度较高。

  超级电容器方面。超级电容器又可称为双电层电容器,是一种新型储能器件,具有充放电效率高、绿色环保、安全可靠、以及循环可逆性等优点,可以广泛应用于移动通讯、计算机技术、航空航天和国防科技等领域。因此其独立支撑的电极必须具备力学强度高和电容大的特质。相对于其他碳材料,石墨烯的电导率高、比表面积大、且化学结构稳定,更加适合作为超级电容器电极材料。目前大多数研究观点认为高温环境是化学法还原氧化石墨烯的必要条件,但有科学家在真空环境下,并在200℃这一远低于理论临界剥离温度的条件下成功制得了石墨烯。相比高温法制得的石墨烯,通过这种方法制出的石墨烯,其比容量更高,达到了279F/g。

  然而,当前对石墨烯、金属氧化物以及导电聚合物复合材料的研究仍限于实验室内,还未解决如何规模化制备质量良好的石墨烯及其复合材料的问题,对基于石墨烯的超级电容器的体积比性能的研究也较欠缺。

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