清華魏飛張強課題組研制成功無堆積柱撐石墨烯

清華魏飛張強課題組研制成功無堆積柱撐石墨烯

清華新聞網(wǎng)3月6日電（記者龔華）魏飛、張強，清華大學化工系，成功制備了一種自分散無堆積的柱撐石墨烯，可用于大功率、大容量鋰硫電池，相關(guān)工作于3月3日、2日發(fā)表。014年在國際著名學術(shù)期刊《自然通訊》上發(fā)表了關(guān)于無支架雙層模板石墨烯高速鋰硫電池的專題，并應(yīng)邀參加了美國納米技術(shù)與科學物理組織（physorg），將納米沃克作為前沿研究工作進行了介紹，第一作者是趙夢強博士生?；瘜W工程系。

石墨烯是一種二維片狀納米碳材料，具有優(yōu)異的力學、熱學、電學、光學性能和廣闊的應(yīng)用前景，但由于石墨烯之間的強烈相互作用，很容易在石墨烯片的組裝過程中堆積形成只有0.334納米間距的多層石墨烯結(jié)構(gòu)。.這種片材易于堆放，降低了材料的比表面積，限制了其界面的有效利用，大大降低了其在儲能、催化、復(fù)合材料、電子器件等領(lǐng)域的宏觀性能，因此，開發(fā)了一種新的概念和有效的方法來提高材料的綜合性能。事件石墨烯堆積是最大限度利用石墨烯性質(zhì)的關(guān)鍵。

柱撐石墨烯結(jié)構(gòu)圖表明，當兩層石墨烯相互靠近時，石墨烯片上突出的結(jié)構(gòu)起到了柱的作用，防止了這種石墨烯的自發(fā)堆積。

為克服納米材料分散的困難，清華大學化學工程系魏飛、張強研制了一種新型自分散材料柱撐石墨烯，與引入金屬氧化物、導電聚合物、炭黑、碳納米管等絕緣體的想法不同。為了防止層疊，通過催化氣相生長和調(diào)整石墨烯的結(jié)構(gòu)，得到了具有突起結(jié)構(gòu)的石墨烯，當兩層石墨烯相互靠近時，石墨烯片上的突起起到了支柱的作用，從而避免了距離為0.334N的多層石墨烯結(jié)構(gòu)。該方法克服了石墨烯與其它物質(zhì)雜化所引起的石墨烯體積特性和界面變化的復(fù)雜問題，提供了一種具有固有自分散特性和非堆積特性的新型石墨烯，其比表面積高達1628平方米/克，比表面積高達1628平方米/克。大量的介孔直徑2-7納米，孔容高達2.0立方厘米/克，這種無堆積柱撐石墨烯在鋰硫電池的儲能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如果將這種材料用作鋰硫電池的陰極，鋰硫電池的可逆容量為當放電電流密度達到5 C（即放電時間為0.2小時）時，活性硫電極材料上的SED可達到1034 mA/g。與磷酸鐵鋰（170ma/g）等離子體鋰離子電池負極材料相比，活性材料的容量大大提高，即使經(jīng)過1000次循環(huán)，其在電流密度為5C時的可逆容量仍能保持在530 ma/g，與活性炭、多孔炭、碳納米管、ORdin等碳材料相比。本報告中的柱撐石墨烯具有較好的分散性，易于構(gòu)建高效的導電網(wǎng)絡(luò)和光滑的離子通道，儲能性能得到了顯著提高。所獲得的鋰硫電池的能量密度和功率密度明顯優(yōu)于商用鋰離子電池、電動汽車和個人電子產(chǎn)品，產(chǎn)品和大規(guī)模儲能具有巨大的應(yīng)用前景。

張強說，這種無堆積柱撐石墨烯材料有望在環(huán)境保護、納米復(fù)合材料、電子器件和人體健康等方面發(fā)揮作用，這種基于拓撲結(jié)構(gòu)的無堆積性能不僅限于石墨烯，而且適用于其他三維拓撲藥丸的開發(fā)。AR結(jié)構(gòu)為納米材料宏觀性能的全面反映提供了新的理論支持。

這項工作由清華大學化學工程系Wei Fei、張薔完成，國家自然科學基金、科技部、北京市科學技術(shù)委員會資助了這項研究。

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