蘇東和埃里克•斯塔奇使用強(qiáng)大的電子顯微鏡，分析的樣品是活性石墨烯，他們?cè)诓剪斂撕Ｎ膰?guó)家實(shí)驗(yàn)室的功能納米材料中心進(jìn)行研究。斯塔奇說(shuō)：“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(wèn)題。這項(xiàng)工作正是這個(gè)設(shè)施要做的事。”來(lái)源：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jí)吸水的海綿，當(dāng)它吸納電荷時(shí)就是這樣。這種材料日前被創(chuàng)造出來(lái)，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(jí)”儲(chǔ)能設(shè)備，具有非常高的存儲(chǔ)容量，同時(shí)保留其他優(yōu)秀屬性，比如超高速能量釋放，快速充電時(shí)間，使用壽命至少有1萬(wàn)個(gè)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(chǔ)存需求，這也需要快速釋放能量，例如，在電動(dòng)汽車(chē)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(yáng)能發(fā)電，”布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家埃里克•斯塔奇（Eric Stach）說(shuō)，他聯(lián)合撰寫(xiě)了論文，描述這種材料，發(fā)表在《科學(xué)》上，時(shí)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(lái)源：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
超級(jí)電容器類(lèi)似電池，因?yàn)閮烧叨即鎯?chǔ)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(shí)間來(lái)進(jìn)行反應(yīng)，因此，能量?jī)?chǔ)存和釋放相對(duì)緩慢。但電池可以儲(chǔ)存大量的能量，釋放需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。
另一方面，超級(jí)電容器存儲(chǔ)電荷的形式是離子，在電極表面存儲(chǔ)，類(lèi)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(jí)化，這樣，電荷就被存儲(chǔ)在連接處，就是電極與電解液之間的交界處?？紫对陔姌O上增加了表面面積，在這上面，電解質(zhì)可以流動(dòng)和互動(dòng)，這就提高了能量的儲(chǔ)存。
但是，由于大多數(shù)超級(jí)電容器不能像電池那樣存儲(chǔ)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(zhǎng)的使用壽命必不可少的地方，比如移動(dòng)電子設(shè)備中。
這種新材料的開(kāi)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(diǎn)。它制成的超級(jí)電容器具有的能量存儲(chǔ)容量，或能量密度，接近鉛酸電池，同時(shí)保留了高功率密度，也就是快速能量釋放，這是超級(jí)電容器的特點(diǎn)。
“這種新材料結(jié)合了兩種電力儲(chǔ)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(shuō)。“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(jìn)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(lái)研制各種形式的“活性炭”，它們有孔隙，可增加表面積，用于過(guò)濾器和其他地方，包括超級(jí)電容器。
但是，由于這種新形式的碳是如此優(yōu)越，勝過(guò)其他用于超級(jí)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(jìn)行。 魯夫形成了一個(gè)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(gè)重要部分，就是“負(fù)曲率碳”（ negative curvature carbon），類(lèi)似外翻式巴基球（buckyballs）。他去找布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的斯塔奇，協(xié)助進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)上表征，以驗(yàn)證或反駁這個(gè)假設(shè)。 斯塔奇和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同事蘇東（Dong Su）進(jìn)行了廣泛的研究，場(chǎng)所有實(shí)驗(yàn)室的功能納米材料中心，國(guó)家同步輻射光源（National Synchrotron Light Source），以及勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的國(guó)家電子顯微鏡中心，三個(gè)設(shè)施的支持者都是能源部科學(xué)辦公室。
“在美國(guó)能源部實(shí)驗(yàn)室，我們?cè)谑澜缟戏直媛首罡叩娘@微鏡，我們真正全面地刻畫(huà)了這種原子的結(jié)構(gòu)，”斯塔奇說(shuō)。
“我們的研究顯示，魯夫的假設(shè)其實(shí)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(huì)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?jī)?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(guó)家同步輻射光源（NSLS）的數(shù)據(jù)也很關(guān)鍵，說(shuō)明我們高度局部的特征可代表整體材料，”斯塔奇說(shuō)。
“我們?nèi)栽诼?lián)合魯夫和他的團(tuán)隊(duì)，協(xié)力完整地描述這種材料的結(jié)構(gòu)。我們還增加了計(jì)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(jìn)行特定的應(yīng)用，包括電容存儲(chǔ)，催化，以及燃料電池，”斯塔奇說(shuō)。
與此同時(shí)，科學(xué)家們說(shuō)，這種處理技術(shù)用來(lái)創(chuàng)造新形態(tài)的碳，很容易升級(jí)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?jī)?chǔ)存和能量轉(zhuǎn)換上都是這樣，”魯夫說(shuō)。
