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，相關工作于3月3日、2日發表。014年在國際著名學術期刊《自然通訊》上發表了關于無支架雙層模板石墨烯高速鋰硫電池的專題，并應邀參加了美國納米技術與科學物理組織（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，具有優異的力學、熱學、電學、光學性能和廣闊的應用前景，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構。.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、復合材料、電子器件等領域的宏觀性能，因此，開發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的關鍵。

柱撐石墨烯結構圖表明，當兩層石墨烯相互靠近時，石墨烯片上突出的結構起到了柱的作用，防止了這種石墨烯的自發堆積。

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整石墨烯的結構，得到了具有突起結構的石墨烯，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的多層石墨烯結構。該方法克服了石墨烯與其它物質雜化所引起的石墨烯體積特性和界面變化的復雜問題，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出優異的性能，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，即使經過1000次循環，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，易于構建高效的導電網絡和光滑的離子通道，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于商用鋰離子電池、電動汽車和個人電子產品，產品和大規模儲能具有巨大的應用前景。

張強說，這種無堆積柱撐石墨烯材料有望在環境保護、納米復合材料、電子器件和人體健康等方面發揮作用，這種基于拓撲結構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。AR結構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、北京市科學技術委員會資助了這項研究。

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