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当超级电容器遇上石墨烯 会擦出什么火花?

2017-07-26 01:11
flinay
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石墨烯的发展与进步

石墨烯的特性与部分应用示例

石墨烯是由英国曼彻斯特大学的科学家在2004年率先发现的。其一出现便引起了国际物理学界的轰动,但这完全不是因为其熟知的强度、导电、导热特性或储能特性,而是由于在此之前,物理学家根本不相信有二维平面原子级晶体的稳定存在。

当英国科学家用胶带粘着一块质量上好的石墨(大约是单层石墨烯的百万以上层级的宏观体),坚持不懈地一层一层地剥落,再剥落,直至得到厚度仅0.12纳米的碳原子单晶时,石墨烯展现出了声、光、电、力、热、磁等一系列优异特性,并且带动了其他原子级二维材料的制备与自组装技术的发展。

自1991年纳米科技展现魔力以来,在C60与碳纳米管的研究热潮带动下,石墨烯一经问世,就遇到了一个科研人才充足,科学经费充裕,风投资金活跃的黄金时代。在短短的十来年时间里,石墨烯便完成了从“后起之秀”向“诺贝尔奖宠儿”的巨大转变,取得了巨大的成果。

(1)单层石墨烯的法向是强度最高的材料,其强度是钢的百倍以上,所以石墨烯能被广泛应用于各种材料的复合增强领域。

(2)结构上是碳碳六元环组成的非极性材料石墨烯,却在宏观上亲水,因此具有表面亲疏水多种调变可能。

(3)具有平面碳的完美结构,可负载上各种金属,其性能也很好研究,可成为一个负载研究平台。

(4)单原子层的薄膜,既透明又导电,还有柔性,可成为平面显示与柔性器件的宠儿。

(5)在石墨烯这个规整的平面上打一个很小的洞,可以进行海水的正渗透脱盐,是对目前反渗透海水淡化膜的巨大补充。

(6)在电容器领域,美国科学家千方百计地把几片石墨烯立起来,做成微电容器件,证明了这个电容确实具有百万赫兹的超快速响应能力。

实现众多优异性能与应用前景的前提是获得优异的材料,所以其发展方向主要包括:

(1)制备尺寸越来越大的单晶;

(2)制备层数与比表面积,以及纯度越来越可控的粉料;

(3)直接制备各类与基材的复合材料。

对于拟替代活性炭的石墨烯来说,属于粉料范畴,看起来就是一堆墨粉。而对于拟替代活性炭基的电容器件来说,就是要在极小的空间内,装入越来越多的石墨烯材料 ,措施包括辊压、粘合等。这些工程特性也对石墨烯的制备提出了要求,因为石墨烯是二维材料,比表面积巨大,一旦两片单层石墨烯叠合,巨大的范德瓦耳斯力将导致其无法再分开,比表面积立即降低50%。于是人们又将碳纳米管分散或直接生长在石墨烯片层间 。

后来干脆发展了模板法,把石墨烯直接生长成像“蜂窝”一样的纳米结构,每个石墨烯片略带弯曲,天然连接,不会叠合,既有巨大的比表面积,又具有扩散通道 。因此,总的来说,目前的石墨烯制备水平已越来越接近超级电容器应用所需的各种苛刻要求。

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