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海綿狀石墨烯,可用作電池材料等

日本東北大學與西班牙阿利坎特大學等組成的研究小組2016年7月13日宣布,開發出了細孔壁主要由單層石墨烯構成的中孔多孔體“石墨烯中孔海綿體(GMS)”。這是一種具有約5.8nm微細小孔(細孔)的海綿狀材料,不僅像活性碳一樣具有很高的比表面積,還具備與石墨一樣的導電性和耐腐蝕性。另外還可實現大幅彈性變形,有望為構築基于新原理的能量轉換元器件做出貢獻。

石墨烯由于是一種二維片狀物質,因此僅限于薄膜及電子元器件等二維用途。近年來,研究人員開始将石墨烯制成具有三維骨架的多孔體,從而将其應用于吸附、催化劑、電池等與能源相關的各個領域,相關研究日趨活躍。碳類多孔體廣泛使用具有直徑數nm以下微細小孔(細孔)的活性碳。而将石墨烯制成同樣的多孔體時,由于會形成小斷片狀的構造,因此存在導電率下降的問題,而且石墨烯存在大量端部(邊緣),因此容易腐蝕。

此次研究發現,通過用氧化鋁納米顆粒制成鑄模,合成結晶性較高的碳多孔體(CMS),并在1800℃的溫度下實施熱處理,便可轉換為以高品質單層石墨烯為主要成分的碳多孔體。由于形成了擁有名為“中孔”的微小細孔的發泡體構造,因此幾乎不存在導緻腐蝕的石墨烯端部,從而實現了與活性碳(1000~2600m2/g)一樣高的比表面積(1940m2/g),同時還具備超過碳黑的導電性和耐腐蝕性。

将GMS用作電雙層電容器(EDLC)的電極材料時,由于沒有石墨烯端部,不易劣化,因此可在靜電容量較大的情況下,直接将工作電壓增加至4V左右,能夠實現為原來約2倍的能量密度。原來的活性碳由于容易劣化,因此無法将工作電壓升高到約2.8V以上。并且,通過将GMS用作固體高分子型燃料電池的鉑催化劑的載體,與原來以碳黑為材料相比,有望實現更長的壽命。另外,GMS還有望應用于锂離子電池等的導電輔助劑以及其他各種充電電池材料等多種用途。

此外,GMS與石墨烯一樣,兼具柔軟性和強韌的拉伸強度,因此完全可以像海綿一樣柔軟地彈性變形,通過施加應力,能夠實現細孔尺寸從大約5.8nm到0.7nm以下的可逆性變形。近年來,在有機類多孔體領域,納米細孔的彈性變形備受關注,不過無論是無機類還是有機類,還沒有出現過能夠實現如此大幅彈性變形的材料。GMS可利用外力來調節放入納米級細孔内部的物質數量,因此有望為構築基于新原理的能量轉換元器件做出貢獻。

此次研究成果已于2016年7月14日(德國時間)刊登在德國國際科學雜志《Advanced Functional Materials》的在線版上。(特約撰稿人:工藤 宗介)

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