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新世代材料石墨烯 液晶、电池应用再获突破

作为新世代材料,拥有良好导电性、导热性、耐腐蚀、耐高温等特性的石墨烯除了被用在半导体外,也是电池技术领域看好的材料选项。在研究持续进展下,石墨烯在液晶、电池等领域的应用相继出现突破,如石墨烯液晶、石墨烯发电装置等。

据OFweek报导,北京清华大学团队宣布在石墨烯液晶研究上获得重大进展。该团队表示已成功将石墨烯用于制造高强度的石墨烯纤维和薄膜,由于普通尺寸的氧化石墨烯必须达到相当高的浓度才能形成高密度的向列型液晶,然而高浓度并不是和制造低密度的石墨烯气凝胶,因此,设法让氧化石墨烯能够在低浓度下形成液晶,以制造石墨烯气凝胶是关键所在。

研究人员尝试在氧化石墨烯溶液中加入碱,以使氧化石墨烯较低的浓度下形成高密度的向列型液晶,比较加入碱前后溶液在X光小角度散射下的变化,证实了碱能够使氧化石墨烯液晶更加有序。接着将借由这项技术制作的石墨烯液晶进行水热还原和冷冻干燥,成功制造出了石墨烯气凝胶。

在电子显微镜观察之下,借由这种方法制造出的石墨烯气凝胶保留了氧化石墨烯液晶的高密度结构,并呈现如年轮般的高密度同心圆结构,同时拥有良好的弹性,适合用于制造型变感测器。

至于电池技术方面,近日北京理工大学曲良体教授和团队成功利用水和石墨烯产生电力,并点亮发光二极体(LED)灯泡。

据悉,该团队开发出了以氧化石墨烯制造的立体结构,并保留足够的孔让水分子自由进出,当水分子从顶部流到底部时,氧化石墨烯和水分子中的含氧基团产生反应,分离出氢离子,余下的氧基团则不规则的留在材料中,从而产生电能。

依该团队计算,这种技术下,能量转换的效率达到62%。而以这个技术为基础,该团队设计并成功制造了一种湿度感测器,以人类呼吸时的湿度变化转为电力以自行供电,可检测不同运动状态下的人类呼吸特征,即时监测健康状况,而不需外部供电。除了呼吸产生的湿度变化外,该装置也能捕捉空气中湿度扩散时蕴含的化学势,转化成为能够直接运用的电能。

哈佛大学(Harvard University)和雷声公司旗下BNN研究人员也发现,高纯度的石墨烯内部含电粒子表现为相对论性质的液体,可利用制造能有效将热能转化为电能的装置,以及可精确模拟超新星和黑洞等天体运行的石墨烯芯片。

石墨烯的制作并不困难,只需以胶带将石磨晶体剥离至单一原子厚度的片状,不过由于厚度极薄,研究隔离石墨烯的性质非常困难。

目前研究人员已找到一种方法隔离高纯度石墨烯,并由此发现了石墨烯的另一项特性。使用在金属上时,石墨烯电荷承载将以流体型态呈现,粒子每秒会碰撞上兆次。

研究人员将高纯度石墨烯样品保存在绝缘的透明六方氮化硼结晶中─氮化硼由于性质和原子结构类似,因此也被称为白色石墨烯─发现,石墨烯薄片遇有带电粒子的静止曝光结束,并观察到施加热能和电流之下电荷的流动状态。

多数材料经受电场,负电电子和带有正电的电洞会被驱驶往反方向移动;另一方面,温度差则会让这两种类型的电荷朝相同方向移动。而在这两种情况下,带电粒子之间并不会相互作用。

高纯度石墨烯则有所不同,其二维性质和蜂窝状的结构让带电粒子只能沿着相同路径行走并互相碰撞,往往形成相互作用、并具有准相对论性质的等离子体。这表示,石墨烯芯片将有相当的可能性成为下一代超薄电子产品的推手。

除了能够协助执行更快的运算,也有助于科学家了解发生在宇宙另一端天体内部的量子现象。

至于较贴近大众的消费类应用,高纯度石墨烯能够有效协助热力发电装置将热能转化成电流,且能量耗损较少,比如以轻量级电路织成衣物,或将身体的热量为智能型手机等随身的电子产品充电。

目前大陆科技部制定的纳米科技发展促进措施中,已包含了石墨烯相关技术,而在政策鼓励下,大陆宁波墨西公司的石墨烯生产线已正式竣工并投产,年产量将达500公吨。

包含适用于锂电池、超级电容系等新能源技术的电子级石墨烯,以及适用于涂料、塑胶、建材等材料化工应用的普通级石墨烯,年产能预计分别达100公吨和400公吨。

在扩产前,宁波墨西原先的产线年产能为300公吨,而在新产线启动后,石墨烯价格大幅下降,该公司负责人透露,电子级石墨烯复合粉末批价已下降至每公斤人民币1,000元,工业级石墨烯复合粉末批价更是达到每公斤人民币700元,打破目前国际市场上石墨烯最低报价。业者表示,在价格有效降低下,石墨烯应用技术的发展和推广已经拆除其中一大障碍。 

    

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