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海绵状石墨烯,可用作电池材料等

日本东北大学与西班牙阿利坎特大学等组成的研究小组2016年7月13日宣布,开发出了细孔壁主要由单层石墨烯构成的中孔多孔体“石墨烯中孔海绵体(GMS)”。这是一种具有约5.8nm微细小孔(细孔)的海绵状材料,不仅像活性碳一样具有很高的比表面积,还具备与石墨一样的导电性和耐腐蚀性。另外还可实现大幅弹性变形,有望为构筑基于新原理的能量转换元器件做出贡献。

石墨烯由于是一种二维片状物质,因此仅限于薄膜及电子元器件等二维用途。近年来,研究人员开始将石墨烯制成具有三维骨架的多孔体,从而将其应用于吸附、催化剂、电池等与能源相关的各个领域,相关研究日趋活跃。碳类多孔体广泛使用具有直径数nm以下微细小孔(细孔)的活性碳。而将石墨烯制成同样的多孔体时,由于会形成小断片状的构造,因此存在导电率下降的问题,而且石墨烯存在大量端部(边缘),因此容易腐蚀。

此次研究发现,通过用氧化铝纳米颗粒制成铸模,合成结晶性较高的碳多孔体(CMS),并在1800℃的温度下实施热处理,便可转换为以高品质单层石墨烯为主要成分的碳多孔体。由于形成了拥有名为“中孔”的微小细孔的发泡体构造,因此几乎不存在导致腐蚀的石墨烯端部,从而实现了与活性碳(1000~2600m2/g)一样高的比表面积(1940m2/g),同时还具备超过碳黑的导电性和耐腐蚀性。

将GMS用作电双层电容器(EDLC)的电极材料时,由于没有石墨烯端部,不易劣化,因此可在静电容量较大的情况下,直接将工作电压增加至4V左右,能够实现为原来约2倍的能量密度。原来的活性碳由于容易劣化,因此无法将工作电压升高到约2.8V以上。并且,通过将GMS用作固体高分子型燃料电池的铂催化剂的载体,与原来以碳黑为材料相比,有望实现更长的寿命。另外,GMS还有望应用于锂离子电池等的导电辅助剂以及其他各种充电电池材料等多种用途。

此外,GMS与石墨烯一样,兼具柔软性和强韧的拉伸强度,因此完全可以像海绵一样柔软地弹性变形,通过施加应力,能够实现细孔尺寸从大约5.8nm到0.7nm以下的可逆性变形。近年来,在有机类多孔体领域,纳米细孔的弹性变形备受关注,不过无论是无机类还是有机类,还没有出现过能够实现如此大幅弹性变形的材料。GMS可利用外力来调节放入纳米级细孔内部的物质数量,因此有望为构筑基于新原理的能量转换元器件做出贡献。

此次研究成果已于2016年7月14日(德国时间)刊登在德国国际科学杂志《Advanced Functional Materials》的在线版上。(特约撰稿人:工藤 宗介)

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