科學家制備出的無缺陷石墨烯

　　制備無缺陷石墨烯的步驟：（a）石墨烯，（b）鉀-石墨烯夾層復合物，（c）石墨烯納米片，（d）無缺陷石墨烯。數字圖像：（e）鉀-石墨，（f）石墨納米片，（g）無缺陷石墨。（h）掃描圖片：（左邊）石墨納米片，（右邊）無缺陷石墨。（i）和（j）分別為（a-d）圖中材料的X射線衍射與拉曼圖譜的對比。上述圖片來自2014年的美國化學學會的帕克等人。

　　盡管實際應用中的石墨烯通常含有缺陷，但是物理學家已經證明，石墨烯在鋰離子電池中非常有用。雖然目前大規模生產純的、結構均勻且尺寸可調的可應用電池仍然很難，但是在一項新的研究中，科學家已經開發出一種方法來生產無缺陷的石墨烯（df-G），并且生產的石墨烯沒有任何具有缺陷結構的痕跡。通過在帶正電荷的Co3O4周圍包裹一大層帶負電荷的石墨烯，可以為高性能鋰離子電池制備出一個非常有效率的陽極。

　　該項研究是由來自韓國先進科技學院的Junk-Ki Park和Hee-Tak Kim教授，以及同樣位于南韓大田市的韓國韓巴大學Yong-Min Lee教授所組成的團隊開展的，目前，他們已將這種新的制備方法發表在最近一期的納米快報。

　　正如研究人員解釋的那樣，當前制備高質量石墨烯的方法分為兩類：機械法與化學法。雖然機械分裂法可以制備高質量的石墨烯，但是其較低的生產效率使得機械法難以在大規模生產得到運用。相反，化學法可以大規模生產，但是產品質量卻比較差。

　　新方法不同于上述兩種方法，其涉及到幾個重要步驟。首先，研究人員將石墨烯粉填充在派熱克斯玻璃管中，然后將這種通管置于一個稍微大一點的管中，最后，他們添加鉀于兩管之間底部的間隙中，密封管后對其加熱。加熱引起融化的鉀在石墨粉間的空隙中流動，以致鉀分子在石墨烯層間形成夾層。然后將得到的鉀-石墨烯復合物置于吡啶溶液中，這種溶液使得形成的夾層間距增加，形成的石墨烯納米片隨后可以被冷卻，然后這樣一層一層的被剝落下來。

　　研究人員進行了很多組實驗，比如改變溫度與溶劑類型，這些對控制石墨烯的質量與尺寸都至關重要。研究發現：通過控制剝離溫度，石墨烯的尺寸可以在0.25-14.0um2之間變化。

　　研究人員已經證明：在帶正電荷的Co3O4塊周圍包裹大尺寸帶負電荷的石墨片，制備的陽極具有幾個顯著的特點。最重要特點是其在經過很多次的循環后仍然具有高的容量（即使200次循環后，在500mA/g電流密度下，具有1050mAh/g的比容量，在1000mA/g電流密度下，具有900mAh/g的比容量）。就研究人員所知道的，這種可逆容量是所報道的所有Co3O4電極中最高的。

　　研究人員解釋到，具有完美晶體結構的大尺寸石墨烯之所以能夠改善陽極的性能，這是因為當單個石墨烯片被包裹在一束Co3O4顆粒上時，Co3O4顆粒將會聚集在一起，否則將會從陽極上產生電分離。正是由于這種保護效應，陽極的容量即使在循環200次后仍然保全的很好，相反，若是使用有缺陷的石墨烯層，陽極容量將會隨著循環進行急速降低。而大尺寸石墨烯在性能方面之所以起到關鍵性的作用，是因為大尺寸石墨烯通過改善陽極材料的完整性，為納米陽極材料提供了一個高循環穩定性的環境。

　　由于石墨烯的這些優勢，研究人員希望其可以為電池，燃料電池和電容器等許多電化學系統帶來復合電極的重大進展。