清華新聞網(wǎng)3月6日電（通訊員 龔 華）清華大學(xué)化工系魏飛、張強(qiáng)研究組成功制備出一種具有自分散、不堆疊特性的柱撐石墨烯，可以用于高倍率、高容量的鋰硫電池。相關(guān)工作于2014年3月3日以《用于高倍率鋰硫電池的不堆疊柱撐石墨烯》（Unstacked double-layer templated graphene for high-rate lithium-sulfur batteries）為題發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上，并受邀在美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（PhysOrg）、美國(guó)納米技術(shù)與科學(xué)網(wǎng)（Nanowerk）作為前沿研究工作進(jìn)行介紹。文章第一作者為化工系博士生趙夢(mèng)強(qiáng)。

石墨烯是一種二維片狀納米碳材料，具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性能以及廣泛的應(yīng)用前景。但石墨烯間較強(qiáng)的相互作用導(dǎo)致其容易堆疊，多片石墨烯放在一起時(shí)易形成層間距僅有0.334納米的多層石墨烯結(jié)構(gòu)。這種片狀材料易堆疊的特性降低了材料的比表面積，限制其界面的高效利用，從而使其在儲(chǔ)能、催化、復(fù)合材料、電子器件等領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)宏觀性能大打折扣。因此，發(fā)展一類防止石墨烯堆疊的新概念與有效方法是促進(jìn)石墨烯性能利用最大化的關(guān)鍵。

圖為柱撐石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖，該圖表示：當(dāng)兩層石墨烯接近時(shí)，石墨烯片上的突出結(jié)構(gòu)起到柱撐功能，從而防止此類石墨烯自發(fā)堆疊。

為了攻克納米材料難分散難關(guān)，清華大學(xué)化工系魏飛、張強(qiáng)研究組發(fā)展了柱撐石墨烯這種具有自分散特性的新材料。有別于在石墨烯間層間引入金屬氧化物、導(dǎo)電高分子、炭黑、碳納米管等隔離物以防止堆疊的思路，該課題組通過(guò)催化氣相生長(zhǎng)調(diào)變石墨烯的結(jié)構(gòu)，獲得了具有突起結(jié)構(gòu)的石墨烯。當(dāng)兩層石墨烯接近時(shí)，石墨烯片上的突出起到柱撐功能，從而避免石墨烯堆疊形成層間距0.334納米的多層石墨烯結(jié)構(gòu)。這種方法克服了石墨烯與其他物質(zhì)雜化所帶來(lái)的石墨烯本體性能及界面改變等復(fù)雜問(wèn)題，提供了一種具有本征自分散特性、不堆疊的新型石墨烯。這種石墨烯的比表面積高達(dá)1628 平方米/克，具有大量孔徑在2-7納米的介孔，孔體積高達(dá)2.0 立方厘米/克。這種不堆疊的柱撐石墨烯在鋰硫電池儲(chǔ)能中體現(xiàn)了優(yōu)異的性能。如果將該材料用于鋰硫電池正極，在放電電流密度高達(dá)5 C時(shí)（即電池0.2小時(shí)放電完畢），鋰硫電池基于活性硫電極材料的可逆容量可高達(dá)1034 毫安時(shí)/克，相比磷酸鐵鋰（170 毫安時(shí)/克）等鋰離子電池正極材料，其活性材料容量大幅度提高。即使在循環(huán)1000次后，其在5 C的電流密度下的可逆容量仍可保持530 毫安時(shí)/克。對(duì)比活性炭、多孔碳、碳納米管、普通石墨烯等碳材料，該報(bào)道中的柱撐石墨烯分散性更好，更容易構(gòu)建高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)及暢通的離子通道，使其儲(chǔ)能性能得到顯著提升，所得的鋰硫電池的能量密度、功率密度顯著優(yōu)于已有的商用鋰離子電池，在電動(dòng)汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品以及大規(guī)模儲(chǔ)能中具有巨大潛在應(yīng)用前景。

張強(qiáng)表示，這種不堆疊的柱撐石墨烯材料還有望在環(huán)境保護(hù)、納米復(fù)合材料、電子器件及個(gè)人健康等方面獲得有效應(yīng)用。這種基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引發(fā)的不堆疊特性并不局限于石墨烯，也適用于發(fā)展其它具有三維拓?fù)渲鶕谓Y(jié)構(gòu)，從而為納米材料的宏觀特性得到充分體現(xiàn)提供了新原理支持。

此項(xiàng)工作由清華大學(xué)化工系魏飛、張強(qiáng)課題組完成。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、北京市科委資助了此項(xiàng)研究。