活化的石墨烯製造出更優異的超級電容

Activated graphene makes superior supercapacitors for energy storage
http://www.physorg.com/news/2011-05-graphene-superior-supercapacitors-energy-storage.html

May 12, 2011

(PhysOrg.com) -- 美國能源部 Brookhaven 國家實驗室的科學家協助揭開一種新型態的碳的奈米結構，對於這種新材料為何在吸收電荷時，能像一塊吸收力超強的海綿般作用的解釋做出貢獻。這種材料，最近在德州大學 Austin 分校被創造出來，可被整合至「超級電容（supercapacitor）」中，這種能量儲存裝置，具有非凡的儲存能力，同時保留其他具有吸引力的屬性，諸如超快的能量釋放、快速充電時間，以及至少有 10,000 次充放電週期的壽命。

"這些特性使這種新形態的碳，因符合電能儲存需求（那亦需要將能量迅速釋出）而格外引人注意，例如，在電動車或來自斷斷續續能源，例如風力或太陽能，的流暢電力供給，" Brookhaven 材料科學家 Eric Stach 表示，一篇描述此材料的、五月12日發表在 Science 期刊上之論文的共同作者。

超級電容類似電池，二者都在其中貯存電荷。電池透過金屬電極與液態電解質間的化學反應辦到這件事。因為這些化學物質需要時間進行反應，電能的儲存與釋放相對緩慢。但電池可儲存許多能量，且能夠在長時間內釋放它。

另一方面，超級電容在電極表面以離子形態儲存電荷，與靜電類似，而非依賴化學反應。對電極充電會導致電解質中的離子分開，或極化（polarize），而電荷就儲存在電極與電解質之間的界面。電極中的孔洞可增加表面積，而電解質則在其中流動並起交互作用 -- 增加了能被儲存的能量數量。

但因絕大多數的超級電容無法像電池那樣保留這麼多電荷，所以它們的用途僅限於可迅速提供少量能量，或長壽命週期為必要選項的應用，猶如行動電子裝置中的那些。

由 UT-Austin 研究者所開發的新材料也許能改變這種情況。以那種材料製成的超級電容，其儲能能力，或能量密度，接近鉛酸電池的能量密度，在達到高能量密度的同時又能夠迅速釋出能量 -- 那是超級電容的特徵。

"這種新材料結合二種電力儲存系統的屬性，" 德州大學團隊領導者 Rodney Ruoff 表示。"我們有點為其優異表現所震懾。"

UT-Austin 團隊要利用氫氧化鉀（potassium hydroxide）來重構經化學修飾的石墨烯薄片，準備要創造出一種有更多孔洞的碳。石墨烯為碳的一種形態，在此，環狀原子如磁磚般排列，平鋪成單個原子厚的薄片。這種「化學活化」先前已被用來創造各種形態的「活性碳（activated carbon）」，那有孔洞可增加表面積，且被用於過濾器與其他應用中，包括超級電容。

但因為這種新形態的碳較其他超級電容所用者優，故 UT-Austin 研究者明白，他們需要將其在奈米尺度下的結構特徵化。

Ruoff 提出一種假說，這種材料由連續不斷的、單個原子厚的「牆壁」構成三維多孔網路，同時有顯著的一部分為「負曲率碳（negative curvature carbon）」，類似外翻（inside-out）的巴克球（buckyballs）。他轉而向 Brookhaven 的 Stach 尋求協助，更進一步了解結構性特徵，以驗證或駁斥這項假說。

Stach 與 Brookhaven 同僚 Dong Su 在實驗室的機能性奈米料中心（CFN）、國家同步輻射光源（NSLS）以及位於 LBNL 的國家電子顯微鏡中心進行一系列廣泛的研究。這三個單位都由 DOE 科學辦公室所支持。"在 DOE 的實驗室內，我們有世上解析度最高的顯微鏡，所以我們真的想全然深入，將原子結構特徵化，" Stach 說。

"我們的研究揭露，Ruoff 的假說事實上是正確的，這種材料的三維奈米級結構組成一種網路，高度彎曲的、單個原子厚的「牆壁」形成具有寬度介於 1 到 5 奈米數十億分之一公尺）的微小孔洞。"

這項研究包括細孔結構的詳細影像以及碳壁本身，還有顯現出這些細節如何構成一大幅景象的影像。"來自 NSLS 的資料對於證明我們的高度局部特徵能重現整個材料來說，相當關鍵，" Stach 說。

"我們仍與 Ruoff 以及他的團隊進行研究，以便匯集對此材料結構的完整描述。我們也增加計算性研究以幫助我們了解這種三維網路如何形成，這樣我們有可能為了特定應用（包括電容儲存、催化與燃料電池），將孔洞修改成最適大小，" Stach 表示。

與此同時，科學家們表示，用於創造這種新形態碳的處理技術可輕易擴大到工業生產。"這種材料 -- 能輕易地從宇宙中最豐富的元素之一製造而成 -- 對於能量儲存與能量轉換的研究與技術將有廣泛的衝擊，" Ruoff 說。

※ 相關報導：

＊ Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene
http://www.sciencemag.org/content/early/2011/05/11/science.1200770.abstract

Yanwu Zhu, Shanthi Murali, Meryl D. Stoller, K. J. Ganesh,
Weiwei Cai, Paulo J. Ferreira, Adam Pirkle, Robert M. Wallace,
Katie A. Cychosz, Matthias Thommes, Dong Su, Eric A. Stach, and
Rodney S. Ruoff
Science, Published Online 12 May 2011
doi: 10.1126/science.1200770

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