以Bi-2223等材料为代表的高温超导体长期以来一直面临临界电流密度低和磁通量钉扎不足等限制。
添加石墨烯后Bi-2223（一种铋锶钙铜氧化物）临界电流密度的变化。（上）展示BSCCO晶粒与其ab平面平行排列的示意图。（下）该表强调，含有1.0 wt%石墨烯的Bi-2223高温超导体样品表现出最高的临界电流密度 (Jc)。图片来源：来自日本SIT的Muralidhar Miryala
此外，其复杂的合成过程对其进步提出了挑战。在最近的一项研究中，一个国际研究团队证明，通过使用共沉淀方法将石墨烯纳米颗粒引入块状Bi-2223中，可以提高临界电流密度。这一突破为Bi-2223超导体领域的未来研究和开发开辟了新途径。
超导体是当冷却到特定临界温度以下时表现出零电阻的物质。一般来说，超导体具有非常低的临界温度，通常接近绝对零。然而，有一类被称为高温超导体（HTS）的超导体，其临界温度超过77 K，即液氮的沸点。
由于与传统超导体相比，高温超导材料能够在相对较高的温度下工作，因此在制造超导器件方面已在各个行业中得到广泛应用。
铋锶钙铜氧化物，俗称BSCCO，属于高温超导类别，已在工程、医疗设备、采矿和运输系统等各个领域得到广泛研究和应用。在这一类材料中，(Bi 1.6 Pb 0.4 )Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10，也称为Bi-2223，因其具有最高的超导临界温度而脱颖而出，使其成为潜在应用领域备受关注的对象。
然而，Bi-2223超导体的发展和进步面临着挑战。其中包括低临界电流密度、低于标准的磁通量钉扎能力和复杂的合成工艺等限制。这些障碍阻碍了Bi-2223超导体充分发挥潜力的进展。
为了克服这些挑战，芝浦理工学院超导材料能源与环境实验室的Muralidhar Miryala教授和芝浦理工学院物理系的Awang Kechik Mohd Mustafa教授领导的一个研究小组马来西亚博特拉大学理学院进行了一项研究，探讨添加石墨烯纳米粒子对Bi-2223相形成和超导特性的影响。
在这项研究中，我们报告了当使用新型共沉淀方法将石墨烯纳米颗粒集成到Bi-2223中时，对Bi-2223的临界温度、临界电流密度以及结构和形态特性的影响。
Muralidhar Miryala，芝浦工业大学超导材料能源与环境实验室教授
这项研究于2023年7月28日发表在《纳米材料》杂志上。该研究由一组共同作者共同努力，包括Abdullah Siti Nabilah、Nursyahirah Kamarudin Aliah、Soo Kien Chen、Kean Pah Lim、Abdul Karim Muhammad Khalis 、马来西亚博特拉大学的Shaari Abdul Halim、全北国立大学的Abidin Talib Zainal、德州大学的Baqiah Hussein，以及彭亨大学的Hashim Azhan和Ermiza Suhaimi Nurbaisyatul。
鉴于石墨烯卓越的电气、机械和化学属性，以及石墨烯和Bi-2223共有的片状微观结构，石墨烯纳米颗粒作为添加剂呈现出令人着迷的前景。在他们的研究中，研究小组仔细检查了含有0.3、0.5和1.0 wt％石墨烯纳米粒子的不同Bi-2223样品的相形成和晶体结构。该分析使用X射线衍射 (XRD) 进行，并与纯Bi-2223样品进行比较。此外，他们还使用交流电感受计（ACS）方法评估了这些样品的临界温度。
X射线衍射 (XRD) 结果表明，在所有检查的样品中都存在主要的Bi-2223相以及次要的Bi-2212相，这是BSCCO家族的另一个成员。值得注意的是，Bi-2223相所占的体积分数在含有0.3和0.5 wt％石墨烯的样品中较高，但在含有1.0 wt％石墨烯的样品中略低。
此外，ACS分析表明，与临界温度相关的参数，包括起始临界温度、锁相温度和耦合峰值温度，所有超导性能指标均随着石墨烯含量的增加而降低。
令人惊讶的是，含有1.0 wt％石墨烯的样品表现出最高的临界电流密度，并表现出最适合开发Bi-2223超导体的微观结构。
这些结果表明，添加石墨烯纳米粒子作为杂质，有可能提高 Bi-2223 超导体的电流密度。
Muralidhar Miryala，芝浦工业大学超导材料能源与环境实验室教授
在描述具有改进电流密度的Bi-2223超导体的未来潜在应用时，Miryala教授指出：“这些超导体具有促进不同领域发展的潜力，例如MRI成像、发电和配电、可再生能源集成、运输和航空航天、粒子加速器、电子和量子计算、环境可持续性、工业和制造工艺以及教育和科学推广。”
期刊参考
Abdullah, S. N., et al. (2023). Microstructure and Superconducting Properties of Bi-2223 Synthesized via Co-Precipitation Method: Effects of Graphene Nanoparticle Addition. Nanomaterials. doi.org/10.3390/nano13152197.
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