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新材料比三维石墨烯的导电率还大两个数量级

时间: 2017年02月04日 | 作者: admin | 来源: Sciencedaily
研究者发现金属钠可以显著地提高碳电极的性能。


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在能源技术领域中,小小的金属钠起到了可思议的作用。尤其是当碳中包埋了金属钠后,就可以显著地提高电极的性能。

 

密西根理工大学(Michigan Tech)材料科学和工程系Charles和Carroll McArthur教授Yun Hang Hu领导的研究团队,找到了一种全新的方法来合成碳纳米片,这种碳纳米片就包埋了金属钠,而之前,这种材料仅仅停留在理论上。最近业内一家倍受关注的刊物《纳米快报》(Nano Letters )报道了这项研究成果。

 

高导电性和大接触表面积,是理想电极材料的必要条件,但是这两种性质在现有材料中不兼容。无定形碳表面积虽然大,但导电率却很低。石墨正好与之相反,导电性较高,但是表面积不大。相比之下,石墨烯同时具备这两种性质,密西根理工大学Yun Hang Hu合成的包埋有金属钠的碳电极性能就非常好。

 

Hu介绍说,“与三维石墨烯相比,包埋有金属钠的碳不仅电导率比它大两个数量级,而且隧道和孔状结构还使它具备更大的接触面积。”

 

这种材料与简单参杂金属的碳不同,以往的金属只是简单的粘附在碳表面,很容易被氧化。不过,如果能够把金属埋入碳中,外部的碳骨架便会起到保护作用。为了合成这种梦寐以求的金属,Hu和他的团队不得不寻找新的工艺流程。他们让金属钠与一氧化碳反应,这种反应需要控制温度,从而生成黑色的碳粉捕获钠原子。

 

此外,密西根理工大学和得克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texasat Austin)合作的研究结果证明,金属钠确实已被埋入碳中而不是简单的吸附在碳表面。接下来,研究团队在几种能源器件中测试了材料的性能。

 

在染料敏化太阳能电池领域,转换效率每提升0.1%,就意味着向商业化迈进一步。研究结果表明,基于铂的太阳能电池转换效率为7.89%,而这已经达到行业标准。相比之下,以包埋有金属钠的碳为材料的太阳能电池,转换效率可达11.03%。

 

比起可充电电池,超级电容器可以更快地接受和释放电荷,这又使它成为汽车,火车,电梯和其他重型机械设备的理想电源。材料储存电荷的能力,即容量,用法拉(farads,F)表示,材料的质量也很重要,用克(grams,g)表示。

 

在超级电容器中,活性炭是一种常见材料,它的比电容为71F/g。三维石墨烯的比电容稍大,为112F/g。相比之下,包埋有金属钠的碳纳米片的比电容高达145 F/g,远大于前两者。此外,经过5000次充/放电循环,这种新材料的性能还保持在96.4%,这表明电极具有很高的稳定性。

 

Hu还说,“能源器件领域急需创新。”同时,他认为包埋有金属钠的碳纳米片的应用前景很光明,这种材料促进了太阳能技术,电池,燃料电池和超级电容器等领域的发展。

 

翻译 杨镐羽

 

原文链接:https://www.sciencedaily.com/releases/2016/12/161220175546.htm


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