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三維石墨烯及其在儲能、傳感器領域的應用


圖1  石墨烯泡沫
備注:英國劍橋大學工程系科學攝影大賽第一名作品-石墨烯泡沫,它是日益增大的石墨烯層在多孔金屬泡沫框架上形成的。

三維(3D)石墨烯通常是指具有3D結構的二維(2D)石墨烯組裝體,是近年來石墨烯化學領域的新型功能材料。将2D石墨烯片整合成具有3D結構的組裝體可以有效調控石墨烯的電學、光學、機械、化學和催化特性。因此3D石墨烯材料不僅具有石墨烯固有的理化性質,其三維多孔的微/納米結構還使其兼具比表面積大、機械強度高、電子傳導能力優越及傳質快速等優良特性。

三維石墨烯用于儲能器件

與石墨烯粉末相比,具有三維連通網絡結構的石墨烯泡沫不僅具有高孔隙率、高比表面積,還具有彈性高、柔性好、制作超級電容器電極不用粘結劑等優點,大大拓展了石墨烯的應用空間,為石墨烯在柔性導電、儲能材料等領域的應用奠定了基礎。

近日,中科院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室成會明、任文才帶領研究團隊在石墨烯三維體材料的宏量制備和應用方面取得重要突破。相關研究成果于4月10日在《自然材料》上在線發表,并在4月14日出版的《自然》雜志上作為研究亮點予以介紹。

該課題組研究人員采用兼具平面和曲面結構特點的泡沫金屬作為生長基體,利用CVD方法制備出具有三維連通網絡結構的泡沫狀石墨烯體材料。研究發現,這種石墨烯體材料完整地複制了泡沫金屬的結構,石墨烯以無縫連接的方式構成一個全連通的整體,具有優異的電荷傳導能力、850立方米/克的比表面積、99.7%的孔隙率和5毫克/立方厘米的極低密度。并且,這種方法可控性好,易于放大,通過改變工藝條件可以調控石墨烯的平均層數、石墨烯網絡的比表面積、密度和導電性。采用基體卷曲的方法,研究人員可制備出170×220平方毫米及更大面積的石墨烯泡沫材料。

三維石墨烯用于傳感器

3D石墨烯材料具有高的比表面積,優異的電子傳導性能和特殊的微觀結構,可有效提高活性分子固載量及電傳導性能,在超靈敏生物傳感器構築中具有潛在應用價值。目前,用于傳感器構築的3D石墨烯材料包括CVD生長的3D GF及其複合物、複合石墨烯氣凝膠、電極上的石墨烯修飾膜,無支載的石墨烯紙等。

石墨烯傳感器的工作原理:石墨烯作為P型半導體,其導電性會受到吸附上來的氣體分子的影響,通過确定電導率變化及目标氣體濃度間的變化關系,就可以通過測量石墨烯的電導率變化從而測得目标氣體的濃度,屬于電阻式傳感器。

據美國《大衆科學》網站報道,美國倫斯勒理工學院的科學家使用石墨烯泡沫最新研制出了一款纖巧、便宜且能重複使用的新式傳感器。他們将石墨烯,即單層碳原子,種植在泡沫鎳結構上,随後移除泡沫鎳,留下一個類似泡沫的石墨烯結構,其具有獨特的電性,能夠用于執行傳感任務,性能遠超現在市面上的商用氣體傳感器,當将其暴露于空氣中時,空氣中的粒子會被吸收到泡沫表面,而且每個這樣的粒子會用不同的方式影響石墨烯泡沫,對其電阻進行微小的改動。讓電流通過其中并且測量電阻的變化,就能知道泡沫上依附的是什麼粒子。科學家們讓大約100毫安的電流通過該泡沫,結果發現,這種石墨烯泡沫能夠導緻粒子解吸,也就是說,粒子自動從傳感器上剝落下來,清除這些粒子,傳感器就可以重複使用了。

科學家們對傳感器進行了微調,讓其來探測氨水(自制爆炸物硝酸氨的關鍵成分),該石墨烯泡沫傳感器在5分鐘到10分鐘内就設法探測到了這種富有攻擊性的粒子,而且效率是現有市面上最好探測器的10倍。科學家們接着用其來探測有毒氣體二氧化氮(爆炸物分解的時候也會釋放出這種氣體),結果表明,其效率也是目前商用傳感器的10倍。

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