孔状石墨烯的干式可压缩性

发表在《Accounts of Chemical Research》上的一篇论文报道了关于多孔石墨烯干式可压缩性的基本发现，以及使用原子模型的机理分析，使多孔石墨烯的这一特殊特征合理化。

研究：Scalable Dry-Pressed Electrodes Based on Holey Graphene. 图片来源：Rost9/Shutterstock.com

多孔石墨烯属于石墨烯的一类结构衍生物，具有纳米级直径的通厚孔阵列，这些孔散点分散在整个石墨烯纳米片表面。

为什么石墨烯如此受欢迎？

石墨烯是一种革命性的材料，具有发展新产业以及取代现有材料和技术的潜力。

尽管石墨烯具有单个原子层的厚度，但化学性质稳定，比钢强得多，具有较大的比面积，并显示出优异的导热性和导电性。

石墨烯研究的进步正在对运输、医疗保健、电子和储能领域产生重大影响。

石墨烯的制备

具有调节厚度和大宽度的石墨烯片可以使用化学气相沉积（CVD）和机械剥离技术生产。

对于需要大量材料（如电池电极和复合填料）的用途，石墨烯通常是通过对天然石墨进行氧化剥离来生产的。该过程产生氧化石墨烯（GO），然后通过热还原或化学还原转化为石墨烯。

表面缺陷在源自GO的石墨烯中很常见，这不是缺点，因为这些表面缺陷可以为未来的化学转化创造可能性。

石墨烯片的功能化通常意味着有机部分和无机材料的加入或杂原子掺杂。

什么是孔状石墨烯？

多孔石墨烯是石墨烯的结构变体。为了制造多孔石墨烯，从石墨烯片的表面剥离碳原子集，而不是添加更多的部分或颗粒。这创建了孔的排列，同时保持了孔状石墨烯的二维结构。

乍一看，这些孔似乎使多孔石墨烯的片材更加“有缺陷”。这不一定是真的，因为孔是由原始石墨烯材料中的固有缺陷区域产生的。

如果孔的形成机理足够温和，残余碳结构将保持其石墨特性，如对孔状石墨烯的机械和电气性质的实验观察中可以忽略不计的差异所示。

孔在多孔石墨烯上的优点

二维孔状石墨烯片的大侧区域存在纳米级孔，具有独特的功能。

改善了整个厚度的质量传递，因此，纳米片堆叠中石墨烯表面积的可及性更大，就是一个很好的例子。

这种特性在储能系统中特别有用，其中多孔石墨烯被用作电极材料，而孔作为不同离子和电解分子的容易通过通道。

应该清楚地了解多孔石墨烯片上的孔与碳纳米结构和高孔隙率石墨烯组件中传统上描述的孔之间的区别。

这些孔洞固有地存在于二维孔石墨烯纳米片结构中，而孔隙是相邻石墨表面之间的间隙和空隙。

石墨烯在储能应用中的天然继承者

石墨烯是电极中一种非常有吸引力的导电成分，适用于许多储能应用。

由于多孔石墨烯是石墨烯的一种结构变体，具有优越的特性，因此在这些应用中，它自然而然地演变成石墨烯的更复杂的替代品。

关于霍利石墨烯的判决

作为石墨烯的结构衍生物，孔状石墨烯表现出孔状图案，导致缺陷增加可以忽略不计，但特性大大增强，特别是在通过片材传质方面。

该特性在储能应用中非常相关，其中离子曲率的降低导致性能的显着改善。

多孔石墨烯的多孔特性使得干粉可以被压缩成具有电化学活性填料的复合结构或致密单体，其可以直接用作电池电极或超级电容器。

使用含有多孔石墨烯的无粘合剂和无溶剂干压技术，可以方便地生产具有大质量负载和高面容量的电极，用于实际的电池系统。

相比之下，传统的基于浆料的电极生产方法耗时，可能会引起环境问题，并且在提高活性材料质量负荷方面存在相当大的困难。

在大多数情况下，多孔石墨烯在干压电极中用作具有粘合剂状质量的结构脚手架，并作为导电添加剂。

凭借可扩展的制造工艺，多孔石墨烯可以成为具有高能量密度的潜在电池电极的极具吸引力的碳材料选择，从而在制造和性能方面带来好处。

参考

Lin, Y., Plaza-Rivera, C. O., Hu, L., & Connell, J. W. (2022). Scalable Dry-Pressed Electrodes Based on Holey Graphene. Accounts of Chemical Research. 网址：https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00457