蘇東和埃里克•斯塔奇使用強大的電子顯微鏡，分析的樣品是活性石墨烯，他們在布魯克海文國家實驗室的功能納米材料中心進行研究。斯塔奇說：“功能納米材料中心提供方便，世界各地的科學(xué)家都可以解決納米科學(xué)和納米技術(shù)的前沿問題。這項工作正是這個設(shè)施要做的事。”來源：布魯克海文國家實驗室
美國能源部布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的科學(xué)家協(xié)助揭示了納米尺度結(jié)構(gòu)的新形態(tài)碳，有助于解釋為什么這種新材料的作用就像超級吸水的海綿，當(dāng)它吸納電荷時就是這樣。這種材料日前被創(chuàng)造出來，研發(fā)者是奧斯?。ˋustin）得克薩斯大學(xué)（University of Texas），這種材料可用于“超級”儲能設(shè)備，具有非常高的存儲容量，同時保留其他優(yōu)秀屬性，比如超高速能量釋放，快速充電時間，使用壽命至少有1萬個充/放電周期。 “這些特性使這種新形態(tài)的碳特別有吸引力，可以滿足電能儲存需求，這也需要快速釋放能量，例如，在電動汽車上，也要理順間歇性能源的電力供應(yīng)，這些能源比如風(fēng)力和太陽能發(fā)電，”布魯克海文國家實驗室的材料科學(xué)家埃里克•斯塔奇（Eric Stach）說，他聯(lián)合撰寫了論文，描述這種材料，發(fā)表在《科學(xué)》上，時間是2011年5月12日。
原子分辨率電子顯微鏡圖像顯示的活性石墨烯，表明這種材料包含單一片狀結(jié)晶碳，高度彎曲，形成一種三維多孔網(wǎng)絡(luò)，來源：布魯克海文國家實驗室
超級電容器類似電池，因為兩者都存儲電荷。電池需要化學(xué)反應(yīng)，就是金屬電極和液體電解質(zhì)之間的反應(yīng)。由于這些化學(xué)物質(zhì)需要時間來進行反應(yīng)，因此，能量儲存和釋放相對緩慢。但電池可以儲存大量的能量，釋放需要相當(dāng)長的一段時間。
另一方面，超級電容器存儲電荷的形式是離子，在電極表面存儲，類似靜電，而不是依靠化學(xué)反應(yīng)。充電電極導(dǎo)致離子在電解液中分離，也叫兩級化，這樣，電荷就被存儲在連接處，就是電極與電解液之間的交界處。孔隙在電極上增加了表面面積，在這上面，電解質(zhì)可以流動和互動，這就提高了能量的儲存。
但是，由于大多數(shù)超級電容器不能像電池那樣存儲同樣多的電荷，它們的使用就局限于一些地方，就是少量能量的迅速需求，或很長的使用壽命必不可少的地方，比如移動電子設(shè)備中。
這種新材料的開發(fā)者是奧斯汀德克薩斯大學(xué)研究人員，這種材料可以改變這一點。它制成的超級電容器具有的能量存儲容量，或能量密度，接近鉛酸電池，同時保留了高功率密度，也就是快速能量釋放，這是超級電容器的特點。
“這種新材料結(jié)合了兩種電力儲存系統(tǒng)的屬性，”得克薩斯大學(xué)小組領(lǐng)導(dǎo)羅德尼•魯夫（Rodney Ruoff）說。“我們驚嘆它出色的表現(xiàn)。”
奧斯汀德克薩斯大學(xué)小組已經(jīng)著手創(chuàng)造更具多孔形態(tài)的碳，他們使用氫氧化鉀（potassium hydroxide）重組化學(xué)上改進了的石墨烯薄片，這種薄片就是一種形態(tài)的碳，其中的原子排列為瓦狀環(huán)，平鋪形成單原子厚的薄片。這種“化學(xué)激活”先前曾用來研制各種形式的“活性炭”，它們有孔隙，可增加表面積，用于過濾器和其他地方，包括超級電容器。
但是，由于這種新形式的碳是如此優(yōu)越，勝過其他用于超級電容器的材料，奧斯汀德克薩斯大學(xué)的研究人員知道，他們表征這種結(jié)構(gòu)需要在納米尺度進行。 魯夫形成了一個假設(shè)，就是材料包含連續(xù)三維多孔網(wǎng)絡(luò)和單原子厚的壁，具有一個重要部分，就是“負(fù)曲率碳”（ negative curvature carbon），類似外翻式巴基球（buckyballs）。他去找布魯克海文國家實驗室的斯塔奇，協(xié)助進一步從結(jié)構(gòu)上表征，以驗證或反駁這個假設(shè)。 斯塔奇和布魯克海文國家實驗室的同事蘇東（Dong Su）進行了廣泛的研究，場所有實驗室的功能納米材料中心，國家同步輻射光源（National Synchrotron Light Source），以及勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的國家電子顯微鏡中心，三個設(shè)施的支持者都是能源部科學(xué)辦公室。
“在美國能源部實驗室，我們在世界上分辨率最高的顯微鏡，我們真正全面地刻畫了這種原子的結(jié)構(gòu)，”斯塔奇說。
“我們的研究顯示，魯夫的假設(shè)其實是正確的，這種材料的三維納米結(jié)構(gòu)包含網(wǎng)絡(luò)，屬于高度彎曲的單原子厚的壁，會形成微小孔隙，孔隙寬度范圍是1至5納米，或十億分之一米。” 研究內(nèi)容包括詳細(xì)圖示的細(xì)微孔隙結(jié)構(gòu)和碳壁本身，這些圖像也表明，細(xì)節(jié)如何融入大局。 “國家同步輻射光源（NSLS）的數(shù)據(jù)也很關(guān)鍵，說明我們高度局部的特征可代表整體材料，”斯塔奇說。
“我們?nèi)栽诼?lián)合魯夫和他的團隊，協(xié)力完整地描述這種材料的結(jié)構(gòu)。我們還增加了計算研究，以幫助我們了解這種三維網(wǎng)絡(luò)如何形成，這樣，我們有可能定制孔徑最佳尺寸，進行特定的應(yīng)用，包括電容存儲，催化，以及燃料電池，”斯塔奇說。
與此同時，科學(xué)家們說，這種處理技術(shù)用來創(chuàng)造新形態(tài)的碳，很容易升級到工業(yè)生產(chǎn)。“這種材料這么容易制造，采用的是宇宙中最豐富的元素之一，將廣泛影響研究和技術(shù)，在能量儲存和能量轉(zhuǎn)換上都是這樣，”魯夫說。
