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09

2023

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06

将扭曲石墨烯集成到储能设备中

作者:


由于其固有的物理特性和电子特性的高度可调性,扭曲石墨烯是下一代能量转换和存储设备应用的一个有吸引力的竞争者。

从科学的角度来看,扭曲石墨烯结构的结构特别令人着迷,因为它具有一系列不寻常的物理和电学特性,而这些特性是单层石墨烯或块状石墨中所没有的。这些特性是两层石墨烯之间发生层间耦合的结果,而层间耦合主要由石墨烯层的扭转角度决定。

扭曲石墨烯在特定的“魔角”(例如1.1度和1.8度)下具有平坦的电子能带结构,其中电子的能级分布在大范围的动量空间中,导致密度接近于零。这导致了各种有趣的现象,例如莫特绝缘体行为、超导性和拓扑状态。

 

 

 

电池和超级电容器

  能量以化学势能的形式储存在电池中,需要时再转化为电能。为了增加可存储的能量,电池电极通常由具有高表面积的材料组成,例如活性炭或金属氧化物。由于两层产生的云纹图案,扭曲的石墨烯具有巨大的表面积,从而提高了其储存能量的能力。此外,魔角处的扁平电能带结构可用于提高电池和超级电容器的性能。

  另一方面,超级电容器以可以快速释放的电荷形式存储能量。为了最大化电容,超级电容器的电极通常由具有高导电性和表面积的材料组成。由于其独特的电子特性,扭曲的石墨烯具有高导电性,其巨大的表面积也可以增加材料的电容。

  例如,印度 Jawaharlal Nehru 高级科学研究中心的研究人员报告称,他们使用扭曲的多层石墨烯制造了一种超快超级电容器,其超高频响应约为 10,000 Hz,是迄今为止报道的任何超级电容器中最高的。

 

太阳能电池

  在太阳能电池中,太阳光通过吸收带隙与光子能量相匹配的材料中的光子而转化为电能。吸收的能量激发材料,然后可以将其收集为电流。太阳能电池的性能取决于各种参数,包括材料的带隙、电导率和光吸收率。

  扭曲石墨烯的莫尔图案可以作为光子晶体,增加光吸收并提高太阳能电池效率。此外,魔角处的平坦电子能带结构可能会导致更好的电荷载流子迁移率,这对于太阳能电池中有效的电荷分离和收集至关重要。

  据天津南开大学的研究人员称,在最佳入射角下,10°扭曲双层石墨烯光电探测器的光电压提高了7倍(700%)。

 

燃料电池

  燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的电化学装置。它们由电解质和两个电极组成:阳极和阴极。燃料在阳极氧化产生电子和质子。质子通过电解质移动到阴极,而电子通过外部电路移动,产生电流。质子在阴极与氧气反应生成水,完成电化学反应。

  由于其独特的电子特性,扭曲石墨烯具有很高的导电性,可以提高燃料电池的性能。此外,扭曲石墨烯的巨大表面积可以增加电极的表面积并能够吸附反应物,从而提高燃料电池的效率。

 

水分解

  由于其表面积大,扭曲石墨烯可用于水分解应用。扭曲石墨烯的莫尔图案也可以作为形成催化纳米粒子的模板,提高水分解过程的效率。

 

热电材料

  由于其独特的电气特性,扭曲石墨烯可能成为热电应用的可行材料。魔角处的平坦电子能带结构可能导致高塞贝克系数,这是将热能转化为电能所必需的。

 

挑战与机遇

  由于扭曲石墨烯的机械和化学稳定性,可以提高储能的寿命。与其他高性能储能材料相比,扭曲石墨烯的生产成本显着降低,使其具有广泛应用的前景。

  然而,在将扭曲石墨烯用于实际储能系统之前,必须清除许多障碍。例如,高质量扭曲石墨烯的大规模生产仍然存在技术挑战。由扭曲石墨烯的莫尔图案产生的电气环境的复杂性为开发基于这种材料的高效储能设备的挑战增加了另一层难度。

  总的来说,使用扭曲石墨烯的太阳能电池研究令人兴奋并且发展迅速。为了充分了解这种材料的潜力并优化其在实际应用中的使用,需要进行更多的研究和开发。

 

信息来源:AZO NANO

 

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