導電率比三維石墨烯還大兩個數量級的新材料

2021-02-15 化學加

來源|創新地標                 編輯|化學加

在能源技術領域中,小小的金屬鈉起到了不可思議的作用。尤其是當碳中包埋了金屬鈉後,就可以顯著地提高電極的性能。

密西根理工大學(Michigan Tech)材料科學和工程系Charles和Carroll McArthur教授Yun Hang Hu領導的研究團隊,找到了一種全新的方法來合成碳納米片,這種碳納米片就包埋了金屬鈉,而之前,這種材料僅僅停留在理論上。最近業內一家倍受關注的刊物《納米快報》(Nano Letters )報導了這項研究成果。

 

高導電性和大接觸表面積,是理想電極材料的必要條件,但是這兩種性質在現有材料中不兼容。無定形碳表面積雖然大,但導電率卻很低。石墨正好與之相反,導電性較高,但是表面積不大。相比之下,石墨烯同時具備這兩種性質,密西根理工大學Yun Hang Hu合成的包埋有金屬鈉的碳電極性能就非常好。

包埋了金屬鈉的新型材料

來自:Yun Hang Hu, Michigan Tech

 

Hu介紹說,「與三維石墨烯相比,包埋有金屬鈉的碳不僅電導率比它大兩個數量級,而且隧道和孔狀結構還使它具備更大的接觸面積。」

 

這種材料與簡單參雜金屬的碳不同,以往的金屬只是簡單的粘附在碳表面,很容易被氧化。不過,如果能夠把金屬埋入碳中,外部的碳骨架便會起到保護作用。為了合成這種夢寐以求的金屬,Hu和他的團隊不得不尋找新的工藝流程。他們讓金屬鈉與一氧化碳反應,這種反應需要控制溫度,從而生成黑色的碳粉捕獲鈉原子。

 

此外,密西根理工大學和德克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texasat Austin)合作的研究結果證明,金屬鈉確實已被埋入碳中而不是簡單的吸附在碳表面。接下來,研究團隊在幾種能源器件中測試了材料的性能。

 

在染料敏化太陽能電池領域,轉換效率每提升0.1%,就意味著向商業化邁進一步。研究結果表明,基於鉑的太陽能電池轉換效率為7.89%,而這已經達到行業標準。相比之下,以包埋有金屬鈉的碳為材料的太陽能電池,轉換效率可達11.03%

 

比起可充電電池,超級電容器可以更快地接受和釋放電荷,這又使它成為汽車,火車,電梯和其他重型機械設備的理想電源。材料儲存電荷的能力,即容量,用法拉(farads,F)表示,材料的質量也很重要,用克(grams,g)表示。

 

在超級電容器中,活性炭是一種常見材料,它的比電容為71F/g。三維石墨烯的比電容稍大,為112F/g。相比之下,包埋有金屬鈉的碳納米片的比電容高達145 F/g,遠大於前兩者。此外,經過5000次充/放電循環,這種新材料的性能還保持在96.4%,這表明電極具有很高的穩定性。

 

Hu還說,「能源器件領域急需創新。」同時,他認為包埋有金屬鈉的碳納米片的應用前景很光明,這種材料促進了太陽能技術,電池,燃料電池和超級電容器等領域的發展。

原文連結:https://www.sciencedaily.com/releases/2016/12/161220175546.htm

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