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09
2023
-
06
將扭曲石墨烯集成到儲能設備中
作者:
由于其固有的物理特性和電子特性的高度可調性，扭曲石墨烯是下一代能量轉換和存儲設備應用的一個有吸引力的競爭者。
從科學的角度來看，扭曲石墨烯結構的結構特別令人著迷，因為它具有一系列不尋常的物理和電學特性，而這些特性是單層石墨烯或塊狀石墨中所沒有的。這些特性是兩層石墨烯之間發生層間耦合的結果，而層間耦合主要由石墨烯層的扭轉角度決定。
扭曲石墨烯在特定的“魔角”（例如1.1度和1.8度）下具有平坦的電子能帶結構，其中電子的能級分布在大范圍的動量空間中，導致密度接近于零。這導致了各種有趣的現象，例如莫特絕緣體行為、超導性和拓撲狀態。
電池和超級電容器
能量以化學勢能的形式儲存在電池中，需要時再轉化為電能。為了增加可存儲的能量，電池電極通常由具有高表面積的材料組成，例如活性炭或金屬氧化物。由于兩層產生的云紋圖案，扭曲的石墨烯具有巨大的表面積，從而提高了其儲存能量的能力。此外，魔角處的扁平電能帶結構可用于提高電池和超級電容器的性能。
另一方面，超級電容器以可以快速釋放的電荷形式存儲能量。為了最大化電容，超級電容器的電極通常由具有高導電性和表面積的材料組成。由于其獨特的電子特性，扭曲的石墨烯具有高導電性，其巨大的表面積也可以增加材料的電容。
例如，印度 Jawaharlal Nehru 高級科學研究中心的研究人員報告稱，他們使用扭曲的多層石墨烯制造了一種超快超級電容器，其超高頻響應約為 10,000 Hz，是迄今為止報道的任何超級電容器中最高的。
太陽能電池
在太陽能電池中，太陽光通過吸收帶隙與光子能量相匹配的材料中的光子而轉化為電能。吸收的能量激發材料，然后可以將其收集為電流。太陽能電池的性能取決于各種參數，包括材料的帶隙、電導率和光吸收率。
扭曲石墨烯的莫爾圖案可以作為光子晶體，增加光吸收并提高太陽能電池效率。此外，魔角處的平坦電子能帶結構可能會導致更好的電荷載流子遷移率，這對于太陽能電池中有效的電荷分離和收集至關重要。
據天津南開大學的研究人員稱，在最佳入射角下，10°扭曲雙層石墨烯光電探測器的光電壓提高了7倍(700%)。
燃料電池
燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的電化學裝置。它們由電解質和兩個電極組成：陽極和陰極。燃料在陽極氧化產生電子和質子。質子通過電解質移動到陰極，而電子通過外部電路移動，產生電流。質子在陰極與氧氣反應生成水，完成電化學反應。
由于其獨特的電子特性，扭曲石墨烯具有很高的導電性，可以提高燃料電池的性能。此外，扭曲石墨烯的巨大表面積可以增加電極的表面積并能夠吸附反應物，從而提高燃料電池的效率。
水分解
由于其表面積大，扭曲石墨烯可用于水分解應用。扭曲石墨烯的莫爾圖案也可以作為形成催化納米粒子的模板，提高水分解過程的效率。
熱電材料
由于其獨特的電氣特性，扭曲石墨烯可能成為熱電應用的可行材料。魔角處的平坦電子能帶結構可能導致高塞貝克系數，這是將熱能轉化為電能所必需的。
挑戰與機遇
由于扭曲石墨烯的機械和化學穩定性，可以提高儲能的壽命。與其他高性能儲能材料相比，扭曲石墨烯的生產成本顯著降低，使其具有廣泛應用的前景。
然而，在將扭曲石墨烯用于實際儲能系統之前，必須清除許多障礙。例如，高質量扭曲石墨烯的大規模生產仍然存在技術挑戰。由扭曲石墨烯的莫爾圖案產生的電氣環境的復雜性為開發基于這種材料的高效儲能設備的挑戰增加了另一層難度。
總的來說，使用扭曲石墨烯的太陽能電池研究令人興奮并且發展迅速。為了充分了解這種材料的潛力并優化其在實際應用中的使用，需要進行更多的研究和開發。
信息來源：AZO NANO
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